Tartalom. Főszerkesztő: Radnóti Katalin

Főszerkesztő: Radnóti Katalin Szerkesztőbizottság: Barnaföldi Gergely Gábor Cserháti András Czibolya László Hadnagy Lajos Kocsis Gábor Neubauer István Nős Bálint Pázmándi Tamás Radnóti Katalin Yamaji Bogdán Szerkesztőség: Postacím: Magyar Nukleáris Társaság Somfai Barbara titkár MTA EK 1525 Budapest Pf. 49. Telefon: 36-1-392-2222/3445 Fax: 36-1-395-9293 e-mail: [email protected] [email protected] Olvasószerkesztő: Hanti Ágota Nagy Mária Technikai szerkesztő: Horváth András Szántó Péter Címlapkép: Nukleon VI/4 146

Tartalom

146

Házi Gábor, Páles József Virtuális vezénylő a paksi teljes léptékű szimulátorhoz

147

Boros János ABOS 1-es, 2-es és 3-as osztályba sorolt rendszerek és rendszerelemek üzemidő-hosszabbításhoz kapcsolódó konstrukciós felülvizsgálata

148

Király Márton Atomtörténet 1945–1955 – I. rész

149

Puskás-Farkas Boglárka Az atomenergia megítélése az Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Karának hallgatói körében

150

Nagy Mária, Zsámberger Noémi Kinga, Pávó Gyula A pozitronemissziós tomográfia (PET) elvi alapjai és feldolgozási lehetőségei a középiskolában – I. rész

151

Zsámberger Noémi Kinga, Nagy Mária, Pávó Gyula A pozitronemissziós tomográfia (PET) elvi alapjai és feldolgozási lehetőségei a középiskolában – II. rész

Kiadja a Magyar Nukleáris Társaság Felelős kiadó: Hózer Zoltán Hirdetésfelvétel: [email protected] ISSN: 1789-9613 A kiadó nem vállal felelősséget a cikkekben megjelentekért

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 146

Virtuális vezénylő a paksi teljesléptékű szimulátorhoz Házi Gábor, Páles József MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Reaktor Monitorozó és Szimulátor Laboratórium 1525 Budapest 114, Pf. 49, tel.: +36 1 392 2222

Az elmúlt évben kifejlesztettünk egy új, virtuális vezénylőtermi modellt a paksi atomerőmű teljesléptékű szimulátorához. A kialakított eszköz lehetővé teszi, hogy a vezénylőn keresztül elérhető összes funkciót, egy vagy több monitoron keresztül, az operátorok által megszokott módon érjük el. A fejlesztés során, a játékipar vívmányait segítségül hívva, felépítettük a vezénylőterem 3D-s modelljét, amelyhez egy eredetileg animációs filmek és videó játékok gyártására készített nyílt forráskódú szoftvert használtunk fel. A vezénylő élethű modellezése érdekében, animációk segítségével és a felhasznált fejlesztő eszköz ,,játék motorjával" gondoskodtunk arról, hogy a vezénylőben található beavatkozó és visszajelző berendezések (kapcsolók, nyomógombok, kijelző műszerek) a beavatkozásoknak és a vezénylő pillanatnyi állapotának megfelelően viselkedjenek. A virtuális vezénylőben történő kényelmes közlekedést és beavatkozást a játékkonzoloknál is alkalmazott vezeték nélküli navigációs eszközök segítségével támogattuk. A cikkben bemutatjuk magát a virtuális vezénylőt és néhány, a fejlesztés során felhasznált technikát.

Bevezetés

mégpedig az operátorok számára egyszerű, kényelmes és megszokott módon.

A paksi atomerőműnél a valósidejű teljesléptékű szimulátor az operátorok legfontosabb oktatási eszköze az erőmű indítása óta. A szimulátort eredetileg a finn Nokia cég fejlesztette magyar szakértőkkel együttműködve, de az idő haladtával mára elmondható, hogy a modernizálások során a szimulátor majdnem minden modelljét és elemét magyar fejlesztésűre cseréltük le. Az egyik legutóbbi ilyen fejlesztés eredményéről e lap hasábjain is beszámoltunk [1].

Mindezek a tények motiváltak minket arra, hogy 2012 őszén hozzáfogjunk egy, a szimulátorhoz csatolható virtuális vezénylőtermi modell kialakításához.

Mivel a legtöbb hazai fejlesztést intézetünk végezte, ezért lényegében rendelkezünk majdnem minden olyan szoftver és hardver komponenssel, amellyel az oktatásra használt szimulátor az erőműben. Az egyetlen, de igen lényeges különbség az intézetünk és a paksi szimulátor konfigurációja között az, hogy nálunk nem került kiépítésre az igen költséges vezénylőterem, valamint a termet a szimulátorral összekötő hardver és szoftver interfészek. E hiányosság ellenére, néhány a szimulátorban rendelkezésre álló szoftver komponens segítségével (pl. instruktori rendszer, adatbázis kezelő) eddig is lehetőségünk nyílt szinte minden vezénylőtermi funkció közvetett elérésére. Kétségtelen azonban, hogy a házon belüli szoftverfejlesztéseket, és különösen a tesztelési feladatok elvégzését megnehezítette a vezénylőterem hiánya. De nem ez az egyetlen tény motivált minket arra, hogy kifejlesszük a vezénylőterem egy virtuális változatát. Napjainkban ugyanis a szimulátorok, nem csak oktatási eszközök, hanem komoly szerepet játszanak az irányítástechnikai rendszerek fejlesztési-, és az ezzel kapcsolatos ellenőrzési munkálataiban is. Figyelembe véve az erőmű szimulátorának leterheltségét, úgy gondoltuk mindenképpen hasznos lehet a jövőben, ha biztosítjuk, hogy a szimulátor ne csak egyetlen példányban legyen elérhető,

Kontakt: [email protected] © Magyar Nukleáris Társaság, 2013

A valódi vezénylőterem A paksi atomerőmű négy blokkjának mindegyike rendelkezik egy többé-kevésbé ugyanolyan módon kialakított vezénylőteremmel. A vezénylőteremben található műszerek, kapcsolók stb. az iparban meghonosodott interfészeken, vezetékeken, távadókon stb. keresztül állnak kapcsolatban a mérő műszerekkel, szabályozókkal és vezérlő eszközökkel. Az ötödik vezénylőterem az erőmű szimulátor épületében lett felállítva és lényegében a 3. blokk replikájának tekinthető. Ennek műszereit azonban nem valós fizikai rendszerek hajtják meg, hanem egy szabványos Motorola VME buszon és kommunikációs interfészen keresztül a szimulátor modelljei. Az 1. ábrán látható egy áttekintő kép a szimulátor épületben található vezénylőteremről. Maga a terem, számos kisebb és nagyobb panelt illetve pultot tartalmaz. Utóbbiakon helyezkedik el a beavatkozó szervek többsége, míg a nagy panelek elsősorban a technológiai paraméterek megjelenítésére szolgálnak. Minden egyes panel egy technológiai rendszerrel (pl. primer kör, térfogatkompenzátor, turbinák stb.) van kapcsolatban. A vezénylőben található beavatkozó és megjelenítő eszközök nagymértékben egységesítve lettek a funkciójuk szerint, azaz a megjelenésükben és működésükben azonos típusú kapcsolókat és kijelzőket alkalmaztak a hasonló funkciójú technológiai elemek (pl. szelepek, szabályozó szelepek, szivattyúk) működtetéséhez. Ez alól csak az olyan speciális berendezésekhez kapcsolódó kezelői felületek jelentenek

Beérkezett: Közlésre elfogadva:

2013. augusztus 30. 2013. október 4.

Nukleon kivételt, amelyek berendezésekétől.

2013. december működése

eltér

a

szabványos

VI. évf. (2013) 146

A 2. ábrán látható a színpad a virtuális operátorral a színpad közepén.

A vezénylői felület nagy részét az úgynevezett lehívó egységek teszik ki, amelyek két fő részből épülnek fel: a függőleges paneleken elhelyezkedő technológiai sémaképekből, valamint a pultokon található nyomógombsor és kapcsoló együttesből. A nyomógombok segítségével az operátor kiválaszthat egy technológiai berendezést a sémaképen, majd a kiválasztott elemre működtető parancsokat küldhet.

2. ábra: A virtuális vezénylő színpada, középen az operátorral A fejlesztésnek ebben a fázisában a kamera képét az egér görgő segítségével lehetett nagyítani. A 3. ábrán egy ilyen képet mutatunk a kamera szemszögéből az egyik pultra fókuszálva.

1. ábra: A Paksi Atomerőmű teljesléptékű szimulátorának vezénylőterme

A virtuális vezénylő fejlesztése A virtuális vezénylő fejlesztésére egy nyílt forráskódú, háromdimenziós, animációs filmek és számítógépes játékok fejlesztésére kidolgozott szoftver csomagot, a Blender-t használtuk fel [2]. Az alapvető ötletünk az volt, hogy e csomag segítségével hozzuk létre a vezénylőteremnek megfelelő virtuális színpadot, a vezénylő beavatkozó szerveit pedig ún. logikai építőkockák segítségével valósítjuk meg a Blender játék motorját felhasználva. Tehát első lépésben felállítottuk a színpadot, amely tartalmazta a vezénylőterem padlóját (egy síkfelületet) és a teremben található minden egyes panelt és pultot, amelyeket első közelítésben egyszerű téglatestekkel modelleztünk. Hogy a színpadunk élethű legyen egy korábbi projekt során készített [3,4], illetve paksi kollégáktól kapott fotókat használtunk fel és ún. UV leképezési technikával elhelyeztük azokat a virtuális paneleken és pultokon. Ennek a leképezésnek a lényege, hogy egy 3D-s objektumon tetszőleges módon elhelyezhetünk egy 2D-s képet, amennyiben az objektumot alkotó síkokat 2D-be kiterítjük, majd a leképezendő képet (amelynek tengelyeit jelöljük U és V betűkkel,) elhelyezzük a kiterített objektum egy adott síkján, vagy síkjain. A fotók leképezése után egy virtuális operátort és a feje felett egy kamerát helyeztünk el a színpad közepén. Logikai építőkockák (érzékelők, szabályozók és beavatkozók a Blender terminológiájában) segítségével lehetővé tettük, hogy a virtuális operátort és a hozzá kapcsolt kamerát mozgatni lehessen egy egér segítségével. A teljesség kedvéért a logikai építőkockákat a későbbiek során egy kicsit részletesebben is bemutatjuk.

© Magyar Nukleáris Társaság, 2013

Tulajdonképpen ez az a kép, amelyet a virtuális vezénylő felhasználója lát, amikor a virtuális vezénylőt elindítja és ezt a nézőpontot tudja változtatni miközben a vezénylőteremben mozog és egy specifikus panelre ránagyít. A sárga karika a képernyő közepén az ún. kiválasztó karika, amely segíti a felhasználót az egyes beavatkozó szervek működtetésében. Érdemes megemlíteni, hogy bár az UV leképezési technika egy remek módszer realisztikus képek létrehozására, azért van néhány hátránya. A leképezéshez használt fotót, egy adott nézőpontból, és a fotó készítésekor adott pillanatnyi megvilágítás mellett készítjük el, így az más nézőpontból, más fényviszonyok mellett már nem tűnik teljesen realisztikusnak. Továbbá a háromdimenziós objektumok, mint például a kapcsolók és a nyomógombok a panelek és pultok síkjában jelennek meg, és így az adott panelre fókuszálva könnyen elveszíthetjük az első ránézésre még valóságosnak hitt kép érzését. De ami még ennél is fontosabb, az UV leképezett képeken nem tudunk végrehajtani valósághű beavatkozást, például egy kapcsoló elfordításánál a kép statikus jellege sokat gyengít az illúzión, és nincs vizuális visszacsatolás az átkapcsolás megtörténtéről. Ezért minden beavatkozó szerv típusnak elkészítettük a 3D-s animált változatát. Szerencsére ezeknek az objektumoknak, ahogy már említettük, egységes a kinézetük és a működésük, tehát ugyanaz a típus tűnik fel számos panelen és pulton. Így -annak ellenére, hogy több ezer beavatkozó és kijelző található a vezénylőben,- elegendő volt minden egyes típusból csak egyet-egyet létrehozni, a hozzájuk kapcsolódó, működésüket garantáló logikai építőkockákkal együtt. A létrehozott elemeket ezután -az UV leképezést, mint támpontot felhasználva az objektumok pozicionálására-, elhelyeztük a pultokon. A 4. ábrán egy pultot és egy panelt láthatunk közelebbről a 3D-s kapcsolókkal és nyomógombokkal együtt.

2

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 146

annak segítségével egy fejmozgást követő rendszert alakíthattunk ki. Ez a megközelítés rendkívül hasznos lehet a vezénylőben, mivel gyakran előfordul, hogy az operátorok miközben valamelyik pulton beavatkoznak, közben fejükkel (és persze szemükkel) a fenti paneleket figyelik, amelyeken pl. egy adott szelep állapota követhető nyomon.

3. ábra: Vezénylőterem az operátor (kamera) nézőpontjából

A fejmozgás követéséhez négy infravörös LED-et helyeztünk el egy sisakon, néhány elemmel. Az operátor fejmozgását a monitor felett elhelyezkedő WII Remote kamera segítségével észleljük, amely rádiós Bluetooth kapcsolaton keresztül kommunikál azzal a személyi számítógéppel, amelyben a Blender játékmotorja fut. Ebben egy megfelelő módon kialakított kommunikációs program feldolgozza a kapott mozgásinformációt és tudatja azt a virtuális vezénylőnkkel. Ezután a virtuális vezénylő a fejmozgásnak megfelelően mozgatja a nézőpontot, olyan érzetett keltve az operátorban, mintha a fejének elfordulásával a valódi teremben fordulna körbe. A vezénylőteremben történő mozgást egy másik WII Remote és Nunchuck segítségével oldottuk meg. Ezeket az operátor a kezében tartja. A Nunchuck segítségével mozoghat a vezénylőben, míg a Remote hozzáférést biztosít a beavatkozó szervek működtetéséhez. A beavatkozásról az operátor visszajelzést kaphat a WII Remote kontroller vibrációját aktiválva.

4. ábra: 3D-s objektumok a pultokon és a paneleken. A logikai építőkockáknak kettős szerepe van. Egyrészről ezeknek kell animálni az objektumokat az aktuális beavatkozásnak megfelelően, pl. elforgatni a kapcsolót, amennyiben az operátor ilyen jellegű beavatkozást tesz. Másrészről a logikai építőkockáknak üzenetet kell küldeni a szimulátor felé, hogy az a beavatkozásról értesüljön és a megfelelő módon reagálhasson. Míg a logikai építőkockák segítségével az animálás viszonylag egyszerű módon kivitelezhető, addig a kommunikáció kialakítása a szimulátorral közel sem ilyen egyszerű. Erre -a Blender rugalmasságát kihasználva,- Python nyelven írt scripteket hoztunk létre, lecserélve a szimulátor eredeti VME kommunikációs rendszerét egy virtuális változatra. A fejlesztés utolsó lépésében – az egérrel történő irányítást lecserélve - több különféle interakciós modellt dolgoztunk ki a virtuális vezénylőn belüli mozgásra. Ezen modellek közül az egyikben a Nintendo WII játékkonzolok ún. Remote és Nunchuck kontrollerét fogtuk hadra. Ezek az eszközök lényegében vezeték nélküli Bluetooth kapcsolatot biztosítanak a játékkonzollal és megfelelő illesztő szoftver segítségével akár egy PC-hez is kapcsolhatók [5,6]. Játék közben a Remote és a hozzákapcsolt Nunchuck mozgásérzékelői tájékoztatni tudják a konzolt a játékos kezének (lábának attól függően hová rakjuk) mozgásáról és maga a játékprogram ezeket az információkat feldolgozva képes megfelelő módon reagálni. Mivel a WII Remote lényegében egy infravörös kamerát tartalmaz, így


Az 5. ábrán az így kiépített rendszer sematikus ábrája látható az egyes elemek közötti kapcsolattal, míg a 6. ábrán a rendszer használata látható, miközben a fejmozgás-követés éppen akcióban van. Mivel ennél a navigációs modellnél nincs vezetékes kapcsolat az operátor és a virtuális vezénylő programját futtató számítógép között, így az operátor szabadon mozoghat a képernyőkön megjelenő pultok előtt, átélve a valódi vezénylőben is tapasztalható szabad mozgás érzetét. A modellben a kapcsolók és nyomógombok működtetését úgy kellett megvalósítani, hogy az operátor a működtetni kívánt kapcsoló kiválasztását követően a tekintetét a kapcsolótól szabadon elmozgathassa a beavatkozás ideje alatt. Az eszközök kiválasztását a képernyő közepén található kijelölő karikával és ún. jelölőgömbök alkalmazásával oldottuk meg (7. ábra). Használat közben, a karikát célkeresztként használva, a karika mögött található kapcsolókon automatikusan egy lila kijelölő gömb jelenik meg, ami jelzi az operátor számára a kijelölés lehetőségét. Az éppen használt eszköz (egér vagy a Nunchuck) segítségével a kijelölés rögzíthető, amelynek eredményét a kapcsolón megjelenő zöld színű gömb jelzi. A kijelölés után a nézőpont szabadon elmozgatható a vezénylőben, és ezután az operátor által kiadott parancsok mindig az aktuálisan kiválasztott kapcsolóra vonatkoznak. A célkereszt alapú kijelölés további előnye, hogy segítségével az operátortól távol eső kapcsolók is egyszerűen kijelölhetőek, így például a pultok mellől közvetlenül átkapcsolhatóak a sémafalakon található kapcsolók is.

3

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 146

Python scriptbõl hívott DLL függvények a szimulátorral történõ kommunikációhoz (lámpa, kapcsoló stb. állapotok leküldése a szimulátorba)

Virtuális vezénylõ PC

Szimulátor szerver

Python script a Blender játékmotorjában a beavatkozások észlelésére, a kijelölõ gömb mozgatása, letétele, kapcsoló mozgatás stb. a beavatkozásnak megfelelõen

TCP/IP

Python script a Blender játékmotorjában, a LED-ek elmozdulásának érzékelésére és a megfelelõ kamera mozgatás

Bluetooth kapcsolat

Bluetooth kapcsolat

WII remote (infra kamera)

Instruktori rendszer Verona Blokk számítógép

Virtuális vezénylõ

Nagyméretû LCD kijelzõ

Nagyméretû LCD kijelzõ Infra fény

Infra LED-ek (sisakon)

WII remote (kézben)

Nunchuck (kézben)

5. ábra: A virtuális vezénylő rendszerének elemei és a köztük lévő kapcsolatok

Összefoglalás és további tervek Elkészítettük egy új 3D-s virtuális vezénylőterem prototípusát és csatoltuk azt a paksi teljesléptékű szimulátorhoz. A játékipartól kölcsönzött ötletek és eszközök segítségével a fejlesztés viszonylag gyorsan (néhány hónap alatt) kivitelezhető volt és a kivitelezéshez felhasznált szabványos játékkonzol eszközök a virtuális vezénylő fejlesztésének alacsony költségét is biztosították. A kifejlesztett virtuális vezénylő interakciós modellje könnyen módosítható, ezért egyszerűen bővíthető olyan újabb funkciókkal és navigációs eljárásokkal, amelyek a rendszer használatát még egyszerűbbé, és élet hűbbé teszik. A jelenlegi virtuális vezénylő funkcióit a jövőben a következő irányokban szeretnénk tovább bővíteni: 6. ábra: Fejmozgás követése a WII Remote segítségével

 Újabb, a játék konzoloknál alkalmazott korszerű navigációs eljárások illesztése a rendszerhez.  Vezénylőtermi hangok bevezetése (vészjelzések, gombok hangjai, stb.)

a

modellbe

 Több felhasználós üzemmód megvalósítása, amely segítségével egyidejűleg akár több operátor tartózkodhat a vezénylőteremben.  Több nagyméretű képernyő alkalmazása a vezénylő megjelenítésére.  Érintőpanel használata a gombok működtetéséhez.

7. ábra: Kapcsolók kiválasztása


4

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 146

Irodalomjegyzék [1]

Páles J., Házi G., Jánosy J., Végh E., A paksi teljesléptékű szimulátor kétfázisú termohidraulikai modelljének lecserélése, Nukleon, III. évf., 62, (2010)

[2]

http://hu.wikipedia.org/wiki/Blender_(program)

[3]

Major Cs., Horváth Cs., Végh J., DEVELOPMENT OF A MODERN HUMAN-MACHINE INTERFACE AT THE PAKS NPP, CONCEPTUAL PLAN, VOLUME I. + SUPPLEMENTS, AEKI-ARL-2010-709-00/01, V3.0, MTA KFKI AEKI, November 2010 (in Hungarian)

[4]

Major Cs., Horváth Cs., Végh J., DEVELOPMENT OF A MODERN HUMAN-MACHINE INTERFACE AT THE PAKS NPP, CONCEPTUAL PLAN, VOLUME II., Panels and boards of the Main and Emergency Control Rooms: Evaluation by the Operating Personnel, AEKI-ARL-2010-709-00/02, V2.0, MTA KFKI AEKI, November 2010 (in Hungarian)

[5]

http://en.wikipedia.org/wiki/Wii

[6]

http://wiibrew.org/wiki/Main_Page


5

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 147

ABOS 1-es, 2-es és 3-as osztályba sorolt rendszerek és rendszerelemek üzemidő-hosszabbításhoz kapcsolódó konstrukciós felülvizsgálata Boros János Pöyry Erőterv Zrt. 1094 Budapest, Angyal u. 1-3, tel.: 06-30-6705677

Az üzemidő-hosszabbítás megalapozásának egyik fontos eleme az ABOS1 1-3 osztályba sorolt rendszerek és rendszerelemek konstrukciós felülvizsgálata. A felülvizsgálat az ASME BPVC2 Section III szabvány alapján készült, mely előírásrendszert egyéb okok mellett - a tervezésre vonatkozó előírások differenciáltsága, az elfogadási kritériumok és a követelmény-specifikálási rendszer korszerűsége miatt alkalmaztunk. A konstrukciós felülvizsgálati projekt keretében elkészült a beazonosított ABOS 1 és ABOS 2 terjedelemhez tartozó rendszerek és rendszerelemek terheléskatalógusa, felülvizsgálati jelentéseik és tervezési specifikációjuk. Az ABOS 3 besorolású elemek hasonló vizsgálata folyamatban van.

A konstrukciós felülvizsgálat szükségessége A Paksi Atomerőmű az üzemidő-hosszabbítás engedélyezési folyamatának részeként benyújtotta Országos Atomenergia Hivatalnak az 1-4 blokkra tervezett üzemidőt 20 évvel meghaladó üzemeltethetőség biztosítására irányuló programot (ÜH program). Az ennek a programnak a keretében elkészült (elkészülő) megalapozó dokumentációk kiemelkedően fontos részét képezik az ABOS 1-es, 2-es és 3-as osztályba sorolt rendszerek és rendszerelemek (továbbiakban RRE) konstrukciós felülvizsgálatát bemutató jelentések. A Főkonstruktőr által és a Végleges Biztonsági Jelentés létrehozásával kapcsolatban készített megalapozó dokumentációk igazolták a blokkok üzemeltetésének biztonságát a létesítéskor tervezett 30 évi üzemidőre. Az üzemidő-hosszabbítással kapcsolatban azonban szükségessé vált a rendszerek és rendszerelemek további 20 évi üzemeltethetőségének megalapozása úgy, hogy a felülvizsgálat megfeleljen a jelenlegi előírásoknak és szabványoknak, és az a ma rendelkezésre álló korszerű eszközök használatával történjen. A Főkonstruktőr által a létesítéskor tervezett üzemidőre készített számítások a szovjet Atomerőművi Szabályzat [1] és az ebben hivatkozott és kötelezően alkalmazott, hetvenes években készült Számítási Normák [3] alapján készültek. Ezek a számítások részben rendelkezésre állnak ugyan, azonban a számítások a hetvenes években rendelkezésre álló - részben elavultnak tekinthető - eszközökkel készültek, reprodukálásuk a jelenlegi eszközökkel az esetek egy részében nem megoldható. Ezzel szemben a Paksi Atomerőmű az elmúlt évtizedekben számos olyan biztonságnövelő programot hajtott végre, amelyek szabványbázisa, a megalapozó számításaik eszközei, az alkalmazott minőségbiztosítási rendszereik teljes körűen


kielégítik a mai követelményeket, így eredményeik az üzemidő-hosszabbítás feladataira is alkalmazhatók. E biztonságnövelő programok közül külön említést érdemel magának a Végleges Biztonsági Jelentésnek a létrehozása, illetve a jelen felülvizsgálat szempontjából meghatározó „Földrengés-biztonsági technológiai átalakítások, illetve ezek megalapozása” projekt.

A konstrukciós felülvizsgálat előírásés szabványbázisa A nyomástartó berendezések és csővezetékek tervezésének követelményeit a 37/2012. (III. 9.) Korm. rendelettel módosított Nukleáris Biztonsági Szabályzat (továbbiakban NBSZ) 3.3.3 pontja határozza meg. Ennek a felülvizsgálat során figyelembe vett egyik leglényegesebb követelménye, hogy a méretezést megalapozó számításokat egységes, a nukleáris iparban elfogadott előírásrendszer szerint, az RREk biztonsági osztályának megfelelően kell elvégezni. További feladatként az atomreaktor és aktív zóna, valamint a fővízkör felülvizsgálata során az NBSZ 3.4.1 és 3.4.2 pontjai alatti követelményeknek is teljesülniük kellett. Arra vonatkozóan, hogy az NBSZ követelmények hogyan teljesüljenek az OAH által kiadott 3.3. sz. „Nyomástartó berendezések szilárdsági számítási normái”, és a 3.25. sz. „Üzemelő nyomástartó berendezések szilárdsági elemzése” című útmutatói adnak útbaigazítást. A 3.3. sz. útmutató bevezető fejezete a 2001 évi kiadású ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section III (továbbiakban ASME BPVC III) adaptálását preferálja, mindkét útmutató az ASME kategóriáit alkalmazza, az ASME alkalmazási elveit követi a hazai feltételek figyelembe vételével. Az ASME hazai alkalmazása jogi és intézményes hátterének megteremtésére számos intézkedés történt, illetve történik jelenleg is. ASME BPVC III magyar szabványsorozatként (MSZ 27003, Nukleáris létesítmények berendezéseinek


2012. december 5. 2013. november 27.

Nukleon

2013. december

konstrukciós szabályai) való kiadása az előkészítő stádiumot követően 2013-ban esedékes, hasonlóképpen magyar szabványként kiadásra kerül az ASME BPVC Section XI (MSZ 27011, Atomerőművi berendezések időszakos vizsgálati szabályai), és az ASME OM (MSZ 27020, Atomerőművek üzemeltetése és karbantartása). Az ASME BPVC III a kód alkalmazásához kapcsolódó felelőségek meghatározásánál előírja a Regisztrált Szakértő Mérnök feladatkört. Külön, kötelező érvényű melléklet részletezi a Regisztrált Szakértő Mérnök regisztrálására és feladataira vonatkozó előírásokat, az ezekhez kapcsolódó hazai minősítési rendszer felállítása 2012 végén befejező stádiumban van. Első lépésként az Amerikai Egyesült Államok ASME Szervezetének szakértői egy 2009-ben tartott tanfolyamon való részvétel és vizsga alapján igazolták a résztvevők Regisztrált Szakértő Mérnök minősítéshez szükséges általános ismereteinek meglétét. A későbbiekben a képesítési feltételek ezen része a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Műszaki Mechanikai Tanszéke által szervezett tanfolyam vizsgabizonyítványával teljesíthető. A minősítéshez ezen felül a meghatározott gyakorlat igazolása mellett regisztráció is szükséges, melynek szabályait „Az atomenergia alkalmazása körében eljáró független műszaki szakértőről szóló 247/2011. (XI.25.) kormányrendelet tartalmazza.

Az ASME BPVC III sajátosságai Az ASME BPVC szabvány OAH által történő preferálását megelőzően a szovjet előírások adaptálásával készült előírások voltak érvényben. Ezen adaptációk nem tértek el lényegileg a szovjet előírásoktól, ezért az ASME BPVC III korábbi előírásokkal történő összevetésénél a szovjet előírásokhoz viszonyítunk. A konstrukciós felülvizsgálat egyik lényeges tapasztalataként a két előírásrendszer olyan eltéréseit azonosítottuk be, amelyek egyrészt a felülvizsgálatban fontosaknak bizonyultak, másrészt az ASME elfogadásának és alkalmazásának megalapozásául szolgálhatnak. Az alábbi összevetésnél a szovjet Atomerőművi Szabályzat [1], a PNAE [2] és a Számítási Normák [3] előírásait vettük figyelembe. A [2] és [3] megfeleltethető egymásnak, a létesítés időszakában a [3] volt érvényben, a [2] előírás csak a létesítési időszakot követően jött létre.

VI. évf. (2013) 147

Berendezés típusok Az ASME BPVC III a hagyományos értelemben vett nyomástartó berendezésekre vonatkozó NB-3000, NC-3000, és NC-3000 cikkelyei külön előírásokat tartalmaznak a következő berendezés típusokra: tartályok, szivattyúk, szerelvények, csővezetékek. Az NC-3000 és ND-3000 ezen kívül külön előírásokat tartalmaz atmoszferikus tárolótartályokra és 103 kPa alatti nyomású tárolótartályokra. Az Atomerőművi Szabályzat [1] az atomerőművek primer és szekunder körében lévő reaktorokra, gőzfejlesztőkre, nyomástartó edényekre, szivattyúházakra, szerelvényekre és nyomás alatti csővezetékekre terjed ki (1.1.1 pont). A reaktorokra, gőzfejlesztőkre, nyomástartó edényekre, szivattyúházakra és armatúrákra átfogóan a „berendezések” kifejezést használja. PNAE és a Számítási Normák berendezésekre és csővezetékekre tartalmaz külön előírásokat. Az egyes berendezés fajtákra tehát nincs külön előírás. A Számítási Normák „F” melléklete a címe szerint ugyan szivattyúkra vonatkozik, de tartalma alapján kifejezetten a főkeringtető szivattyúra ad előírásokat.

Az elfogadási kritériumok alapja NCA-2142 definiálja a tervezési, üzemi és próbaterheléseket, az elfogadás kritériumát képező határértékeket, és a tervezési és üzemi terhelések közötti összefüggést. Az üzemi terhelések szintjeinek NCA-2142.4(b) szerinti meghatározása alapvető fontossággal bír az elvégzendő elemzések beazonosításánál. Az egyes terhelési szintek rövidített, lényegre törekvő meghatározását az alábbi táblázat mutatja. 1. táblázat Terhelési szerint

Az ASME BPVC III Division 1 tervezésre vonatkozó előírásait az NB, NC, NC, NE, NF, NG, NH jelzetű alfejezetek (általános jelöléssel NX) NX-3000 cikkelyei tartalmazzák. Az egyes alfejezetek NX-3000 cikkelyei a biztonságban játszott szerepük és funkciójuk szerint besorolt nyomástartó berendezések megtervezéséhez besorolásuknak megfelelően differenciált átfogó alapot biztosítanak. A szovjet előírásokban ilyen következetes besorolás nem található. A PNAE tervezésre vonatkozó részei nem differenciáltak, nagyrészt az ASME BPVC III NB-3000 tartályokra és csővezetékekre vonatkozó előírásainak feleltethetők meg. Megjegyzendő, hogy PNAE számos előírása az ASME csoportosítása szerint a szerkezeti anyagok tárgykörébe (NB-2000), valamint egyéb tárgykörökbe tartozik.


meghatározásai

NCA-2142.4(b)

Üzemi terhelések szintje

Meghatározás

A

Terhelések, amelyek a specifikált üzemi funkció ellátásához szükséges üzemállapotok (indítás, terhelésváltozás, leállás, stb.) során lépnek fel.

B

Terhelések, amelyek nem a specifikált üzemi funkció ellátása következtében lépnek fel, de amelyeket a berendezésnek javítást igénylő károsodás nélkül el kell viselnie (OBE földrengés).

C

Terhelések, amelyek előidézhetik a berendezés szerkezeti diszkontinuitási helyeinek nagymértékű deformációját, ezért szükséges lehet a berendezés ellenőrzés és javítás céljából történő üzemen kívül helyezése.

D

Terhelések, amelyek előidézhetik a berendezés nagymértékű általános deformációját, alakváltozását, javítását igénylő károsodását, ezért szükséges lehet a berendezés végleges üzemen kívül helyezése.

A tervezésre vonatkozó előírások differenciáltsága A vizsgált elemek besorolása

szintek

A terhelések következtében kialakuló feszültségek osztályozásánál az NB-3213.8 és NB-3213.9 elsődleges és másodlagos feszültségeket különböztet meg. Az elsődleges feszültségek nem önkorlátozók, ezért ha lényegesen meghaladják a folyáshatárt, akkor az az anyag meghibásodásához, nagymértékű deformációjához vezet. A másodlagos feszültségek önkorlátozóak, ha meg is haladják a folyáshatárt, egyszeri fellépésük nem okoz meghibásodást. Az ASME

2

Nukleon

2013. december

BPVC III megközelítése szerint tehát a terhelések és a hatásukra létrejövő feszültségek csoportosításának az az alapja, hogy hatásukra a szerkezeti anyagban milyen károsodás várható. A károsodások típusának és megengedhető mértékének vizsgálata ennek megfelelően nem pusztán egy elvont elméleti fejtegetés, hanem egy adott berendezés tervezési specifikációjának készítésénél a mérnöki értékelés lényeges eleme. A Számítási Normák [3] 2.1.2 pontjában a külön kritériumokkal kezelendő üzemi terhelési besorolását az alábbiak szerint adja meg. 2. táblázat Külön kritériumokkal kezelendő üzemi terhelések besorolása [3] szerint Üzemállapot

Meghatározás

Normál üzemállapot (normál üzemi feltételek) (NUE)

Azoknak az üzemmódoknak a csoportja, amelyeket az üzemi szabályzat tartalmaz.

A normál üzemállapot megszűnése (NNUE)

Üzemzavari állapot (ASZ)

A tervezett üzemállapotoktól való tetszőleges eltérés, ami valamely szabályozó rendszer vagy csővezeték meghibásodása stb. következtében jön létre, és amelynél a reaktor tovább üzemeltethető az eltérés megszüntetéséig. A normál üzemmódtól való eltérés vizsgálatának szükségességét a tervező vállalat határozza meg. A tervezett üzemmód megszűnése a radioaktív közeget tartalmazó kör valamely elemének meghibásodása következtében, aminek hatására meghibásodhat a reaktortartály, és ilyen esetben gondoskodni kell az emberek biztonságáról. Az üzemzavari állapot vizsgálatának szükségességét a tervező vállalat határozza meg.

A szakirodalomban gyakran megkísérlik az ASME és szovjet üzemi szinteket egymásnak megfeleltetni („A” megfelel „NUE”-nek, „B” megfelel NNUE-nek, „C” és „D” megfeleltethető „ASZ”-nek). Ez a megfeleltetés azonban csak formális lehet, mert a besorolás kritériuma a nem normál üzemállapotok esetén eltérő. A szovjet előírásokban a normál üzemi feltételek megsértését és az üzemzavari állapotot kifejezetten a reaktortartály épségére gyakorolt hatás szempontjából, és nem a vizsgált berendezés meghibásodása szempontjából értékelik. Ez azt jelenti, hogy a PNAE normál üzemállapottól eltérő kategóriái nem, vagy csak formálisan értelmezhetők más berendezésekre. Ez a sajátosság a rendelkezésre álló főkonstruktőri számításokban nyomon követhető. A reaktortartályra vonatkozó Ae 4432/Doc/R számítás 14. pontja részletesen foglalkozik a normális üzemeltetési feltételektől eltérő üzemmódok és üzemzavari üzemmódok elemzésével. A példa kedvéért: a térfogatkompenzátorra vonatkozó P-09-124-005-24/14a számítás 2.6 alfejezete egy normál üzemeltetési-feltétel sértést tartalmaz. A 2.7 alfejezet szerint a szovjet fél nem határozott meg üzemzavari helyzetet, a számítást végző csehszlovák tervező azonosított be egyet. A többi berendezésre rendelkezésre álló kevés részletet közlő számításban


VI. évf. (2013) 147

nincsenek olyan alfejezetek, amelyek a NNUE illetve ASZ kategóriájú terheléseket azonosítanának be. Az elsődleges és másodlagos feszültségek szisztematikus és éles különválasztása a szovjet szabályozásban nem jelenik meg. A Számítási Normák 3.3 pontja 1. táblázatában és a PNAE 5.1 táblázatában ugyan mind az elsődleges, mind a másodlagos feszültségek megjelennek, de a károsodásban játszott szerepük szerinti megkülönböztetés nélkül.

A követelmények specifikálása Egy berendezés szilárdsági megfelelőségének vizsgálatakor a tervező először azzal a kérdéssel szembesül, hogy a vizsgálandó berendezésre milyen követelmények vonatkoznak. Pontosan meg kell adni, hogy mely előírásoknak kell feltétlenül megfelelni, és melyek azok, amelyek nem relevánsak. Ezeket a követelményeket a berendezés funkciójából, beépítési helyéből, specifikált terheléseiből, típusából megalapozottan le kell tudni vezetni, az előírásrendszer strukturáltságának ezt lehetővé kell tennie. ASME BPVC III NCA-3250 olyan tervezési specifikáció készítését írja elő, amely biztosítja a konstrukció ASME BPVC III előírásainak való maradéktalan megfelelését és tartalmazza a szükséges háttér információkat és előírásokat. Pontosan specifikálni kell a vonatkozó besorolásokat, előírásokat, a figyelembe veendő tervezési, üzemi, próbaterhelési állapotokat és szinteket, az alkalmazandó túlnyomásvédelmet, a gyártási követelményeket. A tervezési specifikáció kidolgozására vonatkozó szabályokat az ASME BPVC III. külön mellékletben részletezi. A tervezési specifikáció struktúrájának az egész nukleáris iparban egységesnek kell lennie, ami bármely külső szakértő számára lehetővé teszi a tervezési specifikációban foglaltak megfelelőségének és teljességének megítélését. A PNAE [2] illetve Számítási Normák [3] tervezési specifikációnak megfeleltethető dokumentáció készítését nem írja elő. Egyes követelmények esetében ugyan „... a követelmény szükségességét a konstruktőr (tervezési) szervezetnek kell meghatároznia”, de ennek dokumentálási módja nincs meghatározva.

A megvalósult és folyamatban lévő konstrukciós felülvizsgálatok Terheléskatalógus készítés A konstrukciós felülvizsgálatok előkészítése egy többlépcsős folyamat végrehajtását jelenti. A felülvizsgálatnál alkalmazott elvek és terjedelem meghatározása után az első mérföldkő a terheléskatalógus elkészítése. A terheléskatalógus és mintaberendezések szilárdsági ellenőrzésének kritérium dokumentációja 2004.02.05.-i dátummal került kiadásra, a terheléskatalógus első kiadását 2004-ben, a jelenleg érvényes „F” verziót 2011 évben adtuk ki. ASME BPVC III szerint a tervezési specifikációban a terheléseket minden egyes vizsgált berendezésre külön-külön kell specifikálni. Az NCA-3251 azt is előírja, hogy az üzemeltető felelős valamennyi tervezési specifikáció összhangjáért. Ezért a terheléskatalógusban meg kellett határozni és meg kellett alapozni azokat az üzemállapotokat, ciklusszámokat, terhelésfajtákat és fontosabb terheléseket, amelyek figyelembevétele egyáltalán lehetővé tette az egyes berendezések terheléseinek összhangba hozását.

3

Nukleon

2013. december

A 2004. évi és az „F” verzió között a terheléskatalógus a vizsgálati terjedelem változását követve egyrészt bővült, másrészt az ASME BPVC elveinek következetes érvényesülése tekintetében jelentős fejlődésen is keresztülment.

A konstrukciós felülvizsgálat első eredményei A konstrukciós felülvizsgálat projekt első lépcsője 2006 és 2009 között valósult meg. A felülvizsgálat terjedelmét egy korábbi vizsgálat keretében beazonosított rendszer és rendszerelem kör képezte valamennyi ABOS 1, az ABOS 2 nagyobb részét jelentő, és néhány ABOS 3 besorolású rendszerre és rendszerelemre kiterjedően. A számításokhoz módszertani és kritérium dokumentáció (MKD) készült. Az MKD alapján a főberendezésekre (reaktortartály, reaktorbelső, gőzfejlesztő, térfogatkompenzátor, főkeringtető vezetékek, főkeringtető szivattyú, főelzáró tolózár, térfogatkompenzátor vezetékek), 16 csővezeték rendszerre, 15 tartályra, 13 hőcserélőre, 11 szivattyúra és 31 szerelvényre készültek el a számítási jelentések. A számítások 100 % és 108 % blokkteljesítményre készültek 50 és 60 üzemévre. A 108 %ra készült jelentések a teljesítménynövelés megalapozását szolgálták. A projekt keretében elkészült még a számítási terjedelembe tartozó berendezések túlnyomás elleni védelménél alkalmazott rendszerek beállítási értékeinek ASME kritériumok alapján történő igazolása. A jelentéseket négy fórum ellenőrizte és véleményezte a következő sorrendben:  Az PA Zrt által felállított tervzsűri,  Az Amerikai Egyesült Államokban regisztrált amerikai szakértő mérnök szervezet,  A szilárdsági és élettartam számítások témakörben vezető hazai szakemberekből álló testület,  Az Országos Atomenergia Hivatal munkatársai, illetve az OAH által felkért szakértők A négy eltérő nézőpontú fórum véleményei nagymértékben elősegítették a számítások minőségének javulását és a hibák kiküszöbölését. A számításokat időközben NAÜ felülvizsgálatok során is áttekintették, ennek eredményeként szintén értékes észrevételek születtek.

A konstrukciós felülvizsgálat folytatása A konstrukciós felülvizsgálat számos olyan problémát tárt fel, amelyeknek a kezeléséhez új elemzésre, vagy a kritériumoktól való eltérések adminisztratív eszközökkel való kezelésének meghatározására volt szükség. A vizsgálat terjedelme is változott. Az időközben ABOS 2-ből, ABOS 3-ba sorolt rendszerek és rendszerelemek kiestek a terjedelemből, a beazonosított hiányzó ABOS 2 rendszerek és rendszerelemek pedig bekerültek. Az erőmű a főberendezések egy részénél tömítő egység konstrukciómódosítást tervezett, aminek szilárdsági megalapozása szükségessé vált. A felülvizsgálati jelentések ellenőrzése során az OAH számos olyan követelményt fogalmazott meg, amelyek szintén szükségessé tették a felülvizsgálat folytatását. A projekt 2010-től folytatódott, teljes befejezése 2013-ban esedékes. A terheléskatalógus kiegészült a terjedelembe bekerült új rendszerek és rendszerelemekre vonatkozó információkkal. A számítási jelentések ellenőrzése az első lépcsőhöz hasonlóan történt.


VI. évf. (2013) 147

Az OAH HA-5568 sz. határozatában a szilárdsági számítások felülvizsgálatára indított ellenőrzési eljárást lezárta. Előírta a határozathoz mellékelt észrevétel lista alapján a dokumentációk kiegészítését. A határozat indoklásban egyebek mellett megállapította, hogy a dokumentáció felülvizsgálat és az ellenőrző számítások nem tártak fel olyan műszaki problémát, amely a szilárdsági számítások végeredményét megkérdőjeleznék. Az NBSZ 3.3. és 3.25. sz. útmutatói előírják tervezési specifikáció készítését. A felülvizsgálat során azonban nem tudatosult, hogy a tervezési specifikációnak különálló, meghatározott struktúra szerint szerkesztett dokumentációnak kell lennie. A 2011-ben NAÜ által tartott SALTO vizsgálat annak ellenére bírálatként fogalmazta meg, a tervezési specifikációk formális hiányát, hogy a számítási dokumentációk minden olyan információt tartalmaztak, amelyeket az ASME BPVC III előír. Az ellenőrizhetőség és a formai követelmények teljesülése érdekében ASME formátumú tervezési specifikációk készítését ajánlották. Az útmutatók és NAÜ ajánlat alapján az ABOS 1 és ABOS 2 terjedelemre külön tervezési specifikáció dokumentációk készültek.

Az ABOS 3 besorolású rendszerek és rendszerelemek konstrukciós felülvizsgálata Az ABOS 3 osztályba sorolt nyomástartó funkcióval rendelkező berendezések és csővezetékek konstrukciós felülvizsgálata folyamatban van. Az elemzések az ABOS 1 és ABOS 2 terjedelemnél kialakult gyakorlat szerint, a tapasztalatok figyelembevételével készülnek. A dokumentációk összeállításánál fokozott figyelmet kell fordítani az ASME BPVC III tervezési specifikációval és tervezési jelentéssel kapcsolatos formai követelmények teljesítésére, és a regisztrált szakértő mérnök szerepének megvalósulására is.

A konstrukciós felülvizsgálat tapasztalatai, összefoglaló értékelés Az ismertetett, több mint tíz éve tartó konstrukciós felülvizsgálat számos vállalkozó együttműködésével valósult meg. A munka fővállalkozója a Pöyry Erőterv Zrt. illetve jogelődje volt. A konstrukciós felülvizsgálat első fordulójában a térfogatkompenzátor, főkeringtető szivattyúk, főelzáró tolózárak, szivattyúk és szerelvények dokumentációit az Olajterv Zrt. készítette fővállalkozóként. A felülvizsgálat második fordulójában az Erőterv alvállalkozójaként a THCAD Kft. a csővezetékek, a Veiki Energia+ Kft. a reaktortartály, reaktorbelső és térfogatkompenzátor, a PAB Kft. a reaktor berendezés tömítő egységek, az Olajterv Zrt. pedig egyes szivattyúk és szerelvények vizsgálatát végezte. E vállalkozói körnél a feladatokkal megbízott munkatársak felkészültsége, száma, a feladatokhoz rendelkezésre álló számítástechnikai eszközök alkalmasaknak bizonyultak a jelentések megfelelő színvonalon való elkészüléséhez. Mindazonáltal voltak olyan vitás kérdések, amelyek szükségessé tették a folyamatos konzultációt, és a korrekciókat. Ezek közül néhány kiragadott példa:  A résztvevő munkatársak szakmai hátterüknek megfelelően gyakran egyoldalúan közelítettek a feladathoz. Nem mindig ismerték fel az ASME BPVC kódnak megfelelő előírások beazonosításának, és a megfelelő specifikáció elkészítésének jelentőségét. Ezzel szemben

4

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 147

egyes részletkérdések, számítási technikák jelentőségét túlértékelték.

feldolgozáshoz szükséges kapacitás korlátozott volta esetenként késleltette a munkát.

 A feladatokat végző vállalkozók által alkalmazott végeselemes szoftverek eltértek egymástól. A dokumentáláshoz rendelkezésre álló eszközökben (pld. rajzoló programok és munkatársak) is mutatkoztak egyenetlenségek. Ezek az eltérések a dokumentációkban is megjelentek.

A konstrukciós felülvizsgálatok folytatásánál a hiányosságok kiküszöbölésére törekszünk. A gyűjtött tapasztalatok felhasználásával várhatóan tovább emelkedik a készülő dokumentációk színvonala.

 A különböző vállalkozók munkatársainak munkahelye egymástól távol esett, ami nehezített a közvetlen együttműködést.  A vizsgálandó berendezés megfelelő input bázisának megteremtéséhez szükséges dokumentáció gyűjtéséhez és

Az ASME BPVC alkalmazásával egy a korábbitól jelentősen eltérő gondolkodásmódot kellett elsajátítani, ami a projekt egyetlen résztvevője számára sem volt könnyű. A sok feleslegesnek látszó próbálkozás, időigényes kitérő, kitartó erőfeszítés mégis eredményre vezetett, ami egy színvonalas konstrukciós dokumentáció gyűjtemény létrejöttében és egy az ASME kódot szakszerűen alkalmazni tudó szakember gárda kialakulásában érhető tetten.


Szabályzat az atomerőművek, a kísérleti és kutató reaktorok, valamint létesítmények berendezéseinek kialakítására és biztonságos üzemeltetésére, a Szovjetunió Minisztertanácsa Mellett Működő Állami Iparmunkavédelmi és Bányaműszaki Felügyelet, 1973

[2]

Atomenergetikai Létesítmények Berendezéseinek és Csővezetékeinek Szilárdsági Számítási Normái, PNAE G-7-002-86, Állami Energetikai és Energiabiztonságtechnikai Felügyelet, 1989

[3]

Számítási Normák az Atomerőművek, Kísérleti- és Kutató Reaktorok, valamint létesítmények Reaktorainak, Gőzfejlesztőinek, Tartályainak, és Csővezetékeinek Szilárdsági Méretezésére, Állami Energetikai és Energiabiztonságtechnikai Felügyelet, 1973

1

Atomerőművi Biztonsági Osztályba Sorolás

2

American Society of Mechanical Engineers, Boiler and Pressure Vessel Code


5

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 148

Atomtörténet 1945-1955 I. rész Király Márton MTA Energiatudományi Kutatóközpont 1525 Budapest 114, Pf. 49, tel.: +36 1 392 2222

A második világháború utolsó heteiben a csendes-óceáni hadszínterén több meghatározó esemény történt, amelyek együttesen vezettek a háború lezárásához. Ezeket történeti, kronológiai sorrendbe állítva láthatóvá és némiképp érthetővé válnak azok a dilemmák és bizonytalanságok, amelyekkel a háborúban részt vevő országok vezetői néztek szembe azokban a zűrzavaros időkben. Az ekkor megalkotott atombombák sűrűn lakott városokra való ledobásának morális és erkölcsi problémái, katonai és diplomáciai szempontjai egyaránt rávilágítanak a mai napig rendezetlen kérdés egy-egy oldalára. Kétrészes írásomban a Japánra ledobott atombombák körülményeiről, következményeiről, a második világháborút követően kibontakozó szovjet és angol atombomba programról, a hidrogénbomba kifejlesztéséről, a hidegháború korai időszakáról és az atomenergia békés célú felhasználásnak kezdeteiről lesz szó.

Hirosima és Nagaszaki, avagy a második világháború végének története Amerikában 1945 közepére a Manhattan projekt elérte tetőpontját. 1945. július 16-án, egy nappal a szövetséges vezetők potsdami konferenciája előtt Új-Mexikó sivatagában felrobbant a világ első atombombája. A Trinity fedőnevű kísérleti robbantással sikerült bizonyítani a plutónium koncentrált berobbantásával (implózióval) működő bomba megvalósíthatóságát és elhárult az utolsó akadály a maghasadás energiáját felhasználó, tömegtermelésre alkalmas fissziós fegyverek bevetése előtt. Pontosabban elhárult az utolsó fizikai akadály. A Manhattan-projekt ugyanis eredetileg Hitler és a fasizmus európai térhódításának megakadályozására, tömegpusztító atomfegyverek kifejlesztésére való törekvéseinek ellensúlyozására jött létre, valamint az 1938-ban felfedezett maghasadás által elviekben létrehozható szabályozatlan maghasadásos láncreakció kísérleti igazolására. Az 1945. május 8-án aláírt német fegyverletétel és a sikeres kísérlet után a tudósok nagy része befejezettnek tekintette feladatot. Azonban Amerika ekkor még mindig hadban állt a tengelyhatalmak utolsó megmaradt tagjával, a Japán Birodalommal. 1945 közepére Japán veresége elkerülhetetlennek látszott még legfelsőbb katonai vezetése szerint is. A háború irányát meghatározó Legfelsőbb Haditanács (Big Six) a japán kormány hat legfontosabb miniszteréből és vezérkari főnökéből állt. Tagjai két pártra szakadtak, a béke és a háború pártjára, amelyek különböző stratégiát próbáltak megvalósítani. Céljuk ekkor már nem a totális győzelem elérése, csupán a feltétel nélküli fegyverletétel elkerülése volt.


Ez ugyanis az uralkodó felelősségre vonhatóságát és a birodalmi berendezkedés elvesztését jelentette volna, amely számukra elképzelhetetlen volt. A Big Six háborút támogató fele annyi veszteséget akart okozni az amerikaiaknak a totális háborúban alkalmazott kamikáze támadások által, hogy azok engedni kényszerüljenek követeléseikből. A békepártiak ezzel szemben mielőbb véget akartak vetni a háborúnak és a szovjetek közreműködésével szerették volna módosítani a kapituláció feltételeit. Ralph Austin Bard államtitkár Henry L. Stimson hadügyminiszternek 1945 júliusában írt memorandumában azt sürgette, hogy hivatalosan figyelmeztetessék Japánt, mielőtt az atombombát bevetnék a japán városok ellen. Bard úgy érezte, hogy „talán a japán kormány a fegyverletétel közvetítésére keres valamilyen lehetőséget”. A memorandum azt is javasolta, hogy Japánt tájékoztatni kellene „az oroszok álláspontjáról”, azaz a Szovjetunió várható belépéséről a háborúba, és hogy „biztosítékokat” kéne adniuk „a japán császárra és a japán nemzettel való bánásmódra való tekintettel a feltétel nélküli megadást követően” [1]. Szilárd Leó még az első sikeres atomkísérlet végrehajtása előtt előre látta a hidegháború, a tömegpusztító fegyverkezési verseny és a kölcsönös teljes megsemmisítés lehetőségének eljövetelét és minden erejével igyekezett ennek megfékezésére. 1945. július 3-án egy petíciót szerkesztett és olvasott fel a Chicagói Metallurgiai Laboratórium munkatársainak. Ebben morális alapon kérte az Egyesült Államok elnökét, hogy a háború jelen körülményei között ne vesse be az atombombát a japán lakosság ellen. A petíció egy részlete így szól:„Az elmúlt néhány évben markáns tendencia látható a növekvő kegyetlenség irányába. Jelenleg légierőnk, a japán városokra csapást mérve, a hadviselés ugyanazon eszközeit használja, amelyeket az amerikai közvélemény alig néhány évvel ezelőtt elítélt, amikor a németek alkalmazták


2013. szeptember 9. 2013. október 1.

Nukleon

2013. december

Anglia városai ellen. Az atombomba bevetése ebben a háborúban tovább vezetné a világot a kegyetlenség útján” [2]. Az Oak Ridge-be és Los Alamos-ba is továbbított petíció kísérőlevelében ez áll: „Bármilyen kicsi az esély arra, hogy a petíciónk befolyásolhatja a kibontakozó eseményeket, én személy szerint úgy érzem, hogy fontos lenne, ha nagyszámú tudós, akik ezen a területen dolgoztak, tisztán és összetéveszthetetlenül jegyzőkönyvbe vennék, hogy erkölcsi alapon ellenezték a bombák használatát a háború jelenlegi fázisában” [3]. A július 17-én részben átfogalmazott petíció, amelyet több Manhattan projektben részt vett tudós, többek között Wigner Jenő is aláírt, így fogalmaz: „Így a nemzetnek, amely példát állít fel a természet ezen újonnan felszabadított erőinek rombolás céljára való felhasználására, viselnie kell a felelősséget, hogy megnyitotta az utat az elképzelhetetlen méretű pusztítás korszakába” [4]. A petíció Truman elnökhöz sosem jutott el, mert a hivatalos úton benyújtott tiltakozás elakadt a bürokrácia útvesztőiben. Ezeket a dokumentumokat a háború végén titkosították, 1961-ig nem voltak elérhetőek a nagyközönség számára, és csak 1963-ban, egy évvel Szilárd halála előtt publikálták. Azonban megmutatják a tudományos közösség megosztottságát a közös munkájuk révén létrejött atombomba bevethetőségének morális, erkölcsi kérdéseivel kapcsolatban. Az amerikai kormány az atombomba bevetésével megpróbálta mielőbb befejezni a háborút a feltétel nélküli fegyverletétel kikényszerítésével. Ellenkező esetben a háború befejezését az akkoriban kidolgozott Downfall (Bukás) hadművelettől várták, amely a Japán főszigetek megszállásának terveit tartalmazta. Eszerint 1945 novemberétől megkezdődtek volna a nagyszabású partraszállások és ezek végrehajtása előre láthatólag egy év alatt több százezer szövetséges áldozattal járt volna [5]. Ezek a tervek azonban nem vették figyelembe a szovjetek Jaltában megígért, azonban előre nem tervezhető hadba lépését Mandzsúriában. A bomba a Tokiói-öbölben vagy egy kiürített város fölött való vértelen demonstrációjának lehetőségét a vezetők augusztusra kizárták, egy esetlegesen rosszul sikerült teszt politikai következményeire hivatkozva. A háború végére már nem volt szempont az ártatlan civil áldozatok számának minimalizálása, a japán városok hónapok óta szőnyegbombázás alatt álltak, ártatlan emberek százezreinek halálát okozva. A katonai vezetőkben már nem merült fel a kérdés, hogy szabad-e egyáltalán bevetni egy ilyen bombát? Truman úgy érezte, hogy meg kell előznie a szovjetek hadba lépését Japán ellen és el kell kerülnie a tervezett partraszállások emberveszteségeit. Megragadta az alkalmat, hogy bemutassa a világnak az Egyesült Államok felsőbb rendű harcászati technológiáját és kipróbálja a világ egyik legdrágább beruházásának eredményét. Mivel a légierő sértetlen városokon akarta kipróbálni az atombomba pusztító hatásait, így Kiotó, Kokura, Hirosima, Nagaszaki és Niigata városokat megkímélték a gyújtóbombázásoktól [6]. Az Enola Gay névre keresztelt B-29 Superfortress repülőgép 1945. augusztus 6-án 8 óra 15 perckor kioldotta Hirosima városa fölött rakományát. A 16 ezer tonna TNT-vel egyenértékű Little Boy robbanása a város fölött azonnal megölt 70 ezer embert (ebből 20 ezer katona), és további 60 ezer ember halt meg a kórházi ellátás hiánya és az elszenvedett sugárzás miatt még abban az évben. Az atombomba által okozott pusztítás példátlan mértékű volt. A bombák által érintett területen, az epicentrumtól két


VI. évf. (2013) 148

kilométeren belül az épületek (főleg alacsony, fagerendás lakóházak) 70%-a megsemmisült, további 7%-a erősen megrongálódott, részben a tűzgömb és a lökéshullám, részben az azt követő mesterséges tűzvihar miatt [7]. Csak a megerősített vasbeton épületek menekültek meg az atombomba hatásaitól, a legismertebb példa erre a Genbakukupola, amely mintegy 620 méterre volt a robbanás helyétől. Az atombomba pusztító hatásai a következőképpen kategorizálhatók:  Elektromágneses sugárzás és tűzgömb: a bomba robbanásából származó sugárzó hő és az ionizált levegő az útjába eső felületeken azonnali égést, szenesedést, párolgást okoz, a bombából felszabaduló energia 40-50%-a ilyen formában nyilvánul meg. A robbanás kezdeti hőmérséklete több tízmillió fok, hőmérsékleti sugárzása folytonos, a villanás fényének erőssége rövid ideig eléri a Nap fényerejének tízszeresét.  Lökéshullám: hangsebességnél gyorsabban terjedő nyomásfront, amelyet a hirtelen felmelegedett levegő kiterjedése okoz. A hullám terjedésére merőleges falfelületekre nehezedő nagy nyomás az épületek összeomlásáért és a tűzvész könnyű terjedéséért felelős, a bomba robbanásakor felszabaduló energia 30-40 %-a nyilvánul meg ebben a formában.  Ionizáló sugárzások: a láncreakció során keletkező gammasugárzás mélységi, kiterjedt sejtpusztulást idéz elő nagy áthatoló képessége miatt, a radioaktív kihullásból származó alfa- és bétasugárzás felületi égést okoz az érintkező testfelületen, belélegezés esetén a tüdőben. Az atombomba pusztító hatásának mintegy 10 %-a idézi elő a fenti sérüléseket, és annak hosszú távú következményeit (sugárbetegség, daganatos megbetegedések). Az 1. ábrán látható a város látképe a levegőből a bomba ledobása előtt és közvetlenül utána. A Hirosimában keletkezett tűzvihar az egyszerre égő tüzek összekapcsolódásából jött létre. A tűzben felfelé áramló levegő kéményként működve minden irányból óriási mennyiségű friss levegőt szívott magába, tornádó erősségű saját szélrendszert alkotva táplálta a kiterjedt tüzet. Számítások szerint ugyanez a hatás előidézhető lett volna 1000 tonna hagyományos gyújtóbombával is [9]. 1943-ban Hamburg bombázása során, 3000 repülőgép 9000 tonna bombát dobott le a városra a Gomora hadművelet keretében. 42 ezer ember meghalt, 37 ezer megsebesült, 39 km2-nyi terület dőlt romba. 1945-ben Tokió bombázása során legalább 100 ezer ember halt meg, a város területének nagy része, mintegy 41 km2 megsemmisült. Ezek a bombázások az atombombával ellentétben óriási légiflottát és rengeteg muníciót igényeltek, közvetlen hatásaik azonban nem terjedtek tovább a háború utáni generációkra. Truman nem látott sok különbséget Drezda vagy Tokió gyújtóbombázása és az atombomba használata között. Az atom-tudósok nem ismerték a sugárbetegség várható mértékét és pontos hatásait, mivel embereken nem végeztek hasonló kísérleteket. A gyújtóbombák és tömegpusztító fegyverek civil lakosság ellen irányuló, válogatás nélküli használata lehet részben az ellenség háborús propaganda általi dehumanizációjának, emberiességétől való megfosztásának eredménye.

2

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 148

1. ábra: Hirosima városa a bombázás előtt és után (A koncentrikus körök sugara 300, 600, 900 és 1200 méter, középpontjuk a bomba felrobbanásának helye.) [8] Erre jó példa Truman elnök 1945. augusztus 11-én tett kijelentése: „Úgy látszik az egyetlen nyelv, amelyet [a japánok] megértenek az, ha bombázzuk őket. Ha egy vadállattal küzdesz, úgy kell kezelned, mint egy vadállatot. Rendkívül sajnálatos, de mégis igaz” [10]. Sztálinnak a Jaltai konferencián tett ígérete szerint az európai hadszíntéren kivívott győzelem után három hónappal a Szovjetunió csatlakozott a szövetségesek Japán ellen vívott háborújához. Ezzel megnyílt az út a szovjet befolyás távolkeleti kiterjesztése előtt. A szovjetek hadba lépése a keleti hadszíntéren 1945. augusztus 9. éjfél után 2 perccel, vagyis pontosan három hónappal a német fegyverletétel után történt meg. Egyszerre három fronton másfél millió katona indult meg Mandzsúria és Japán ázsiai területei, háborús hódításai irányába. A Japán Birodalmi Hadsereg elit osztagait a háború végére a főszigetek védelmére rendeleték az amerikaiak várható inváziójának feltartóztatására, a csapatok az újonnan kialakított védelmi vonalakba történő átcsoportosítása a támadás idején folyamatban volt. A japánok hírszerzése rosszul mérte föl az ázsiai határ mentén zajló szovjet mozgósításokat, jelentősen alábecsülve a felsorakozott sereg létszámát. Az elfoglalt ázsiai területek így ki voltak szolgáltatva egy több irányból egyszerre érkező, nagyszabású támadásnak, amely jelentősen meggyorsította és megkönnyítette a háború befejezését. A szovjet csapatok a japán fegyverletételig, tehát alig egy hét alatt több száz kilométert nyomultak előre, és ez idő alatt közel 80 ezer ellenséges katonával végeztek [11]. Aznap hajnalban három B-29-es indult el Kokura felé. Az első, felderítő gép jó látási viszonyokat jelentett, azonban mire a Bockscar nevű második B-29 a célpont fölé ért, már sűrű felhőréteg takarta a várost. Mivel a parancs szerint vizuális bombázást kellett végrehajtaniuk, vagyis látniuk kellett a célt, kénytelenek voltak a másodlagos kijelölt célpont felé irányítani a repülőt. Így 11 órával a szovjet hadműveletek megindulása után Nagaszaki városa szenvedte el a második


és a mai napig utolsó atomtámadást. A 4900 kg-os, 22 ezer tonna TNT-vel egyenértékű Fat Man hatóereje 40%-kal nagyobb volt a Little Boy-hoz képest, azonban egy mély völgyben elhelyezkedő, részben kiürített várost ért, emiatt kevesebben estek áldozatul. 40 ezer ember halt meg a robbanás, az összeomló épületek és a tűzvész miatt, ezt követően további 40 ezren az év végéig. Az atombombák áldozatainak pontos számát lehetetlen megállapítani, mivel a városok lakosságát nyilvántartó írásos feljegyzések megsemmisültek. A háború során Koreából az összes elérhető élelmiszert Japánba szállították, a túlélés érdekében pedig sok ezer koreai menekültnek kellett Japánban kényszermunkát végeznie, főleg a hadianyag gyárakban. Ennek tudható be, hogy becslések szerint az áldozatok mintegy hetede koreai volt [12]. 1950-ig összesen 350 ezer ember hunyt el a bombázás, az elégtelen orvosi ellátás, a közvetlen elszenvedett sugárterhelés, valamint a radioaktív kihullás következményei miatt. Az atombombák túlélőit japánul hibakushá-nak (robbanás-érintett emberek) nevezik. Ezek az emberek az atombomba robbanásának néhány kilométeres körzetében voltak a ledobás pillanatában vagy az azt követő néhány hétben. Voltak kétszeres túlélők is, akik mindkét robbanás által érintettek voltak. A mintegy 165 ember közül az első elismert kétszeres túlélő Tsutomu Yamaguchi (1916–2010) volt. A japán kormány 2012. március 31-én 210830 hibakushát tartott nyilván, közülük több mint kétezren szenvedtek valamilyen sugárzással kapcsolatos betegségben [13]. Ők állami segélyre és egészségügyi kezelésük során különleges juttatások igénybe vételére jogosultak. A Hirosimában és Nagaszakiban felállított emlékműveken megtalálható az összes hibakusha neve, aki a bombázások óta meghalt. 2013 augusztusáig 448901 név állt ezeken a táblákon. A hibakushák a háború után a japán kormány felelősségvállalásáért, az áldozatoknak nyújtott segély kiterjesztéséért és az atomfegyverek felszámolásáért

3

Nukleon

2013. december

harcoltak. A hibakushákat és gyermekeiket negatív megkülönböztetés érte és éri a mai napig Japánban. Sokáig azt gondolták, hogy a sugárzás fertőző, az elszenvedett deformitás pedig öröklődő lehet, másrészt létük Japán háborús vereségére emlékeztet. A túlélők nehezen kapnak munkát, emiatt mai napig titkolni kényszerülnek múltjukat. Miután a Japán Birodalom vezetése tudomást szerzett Hirosima pusztulásáról, megpróbálta eltusolni az ügyet, mondván természeti katasztrófa történt, vagy ha mégis az amerikai légierő dobott bombát a városra, akkor ez volt az egyetlen ilyen bombájuk. A háború kimenetéről folytatott tárgyalásokat a civilek és katonák ezreinek halála, a fontos katonai létesítmények megsemmisülése semmilyen irányban nem befolyásolta. 1945-re a Japán Birodalmi Hadsereg szinte teljes légi- és hadihajó flottájának elvesztése, katonák és civilek millióinak halála sem teríthette el a katonai vezetőket a háború folytatásától. A Szovjetunió hadba lépésével Japán kiugrási kísérlete, a fegyverletétel feltételeinek a szovjetek segítségével való módosítása ellehetetlenült, a két fronton kibontakozó háborút pedig már nem lehetett megnyerni. A Big Six háborút pártoló tagjai csak ekkor szembesültek először a megadás lehetőségével. Augusztus 10-én Hirohito császár, Japán teljhatalmú uralkodója személyesen akart véget vetni a háborúnak, azzal a feltétellel, hogy uralkodói előjogait tiszteletben tartják: „Arra jutottam, hogy a háború folytatása a nemzet pusztulásához és további vérontáshoz és kegyetlenséghez vezetne a világon. Nem tudom tovább nézni ártatlan népem szenvedéseit”. A császár saját népének szenvedésével való együttérzése mögött azonban önös érdekek is húzódtak. Hirohito tudta, hogy a gyors szovjet előrenyomulás megállíthatatlan. Ha a háború végén az amerikaiak helyett a szovjeteknek kell majd megadnia magát, az biztosan a birodalmi berendezkedés és ezzel Japán végét jelentené. 1945. augusztus 11-én a Japán kormány hivatalos tiltakozást nyújtott be a svájci követségen keresztül az amerikai külügyminisztérium felé az atombombázással kapcsolatban: „A japánok tiltakoznak Amerika ellen, mivel meggyalázta a háborút szabályozó nemzetközi alapelveket az atombomba használatával és a korábbi gyújtóbombázással, amelyekkel időseket, nőket és gyermekeket mészárolt le, megsemmisített és leégetett sintoista és buddhista templomokat, iskolákat, kórházakat, lakóépületeket. … Ez az új bomba, amelynek ellenőrizhetetlen és kegyetlen hatása sokkal nagyobb, mint bármely más fegyveré vagy lövedéké eddig valaha, egy új bűncselekmény az emberiség és a civilizáció ellen” [14]. 1960ban egy interjú során Szilárd Leó így nyilatkozott: „Hadd mondjak csak ennyit az érintett erkölcsi kérdésekről: Tegyük fel, hogy Németország még előttünk kifejlesztett volna két bombát. És tegyük fel, Németország ledobott volna egy bombát, mondjuk, Rochesterre és egy másikat Buffalora, majd miután kifogytak a bombáikból, elvesztették volna a háborút. Kételkedik bárki is abban, hogy mi ezek után háborús bűnként értelmeztük volna az atombombák városokra való ledobását, hogy halálra ítéltük volna azokat a németeket, akik részt vettek ebben a bűncselekményben és Nürnbergben felakasztottuk volna őket?” [15]. Curtis LeMay tábornok így gondolkodott az elnök által aláírt atombombázási parancs kézhez vételekor: „Amit teszünk, erkölcstelennek tartanák, ha a vesztesek oldalán állnánk. De vajon mi teszi erkölcstelenné, ha veszítesz, és nem erkölcstelenné, ha nyersz?” [16]. A mai napig érvényes


VI. évf. (2013) 148

Napóleon azon állítása, miszerint „a történelmet mindig a győztesek írják”. Ugyanakkor a japánok által elkövetett kegyetlenkedések néhol elképesztő méreteket öltöttek. Becslések szerint a háború 1945-ös évében havonta 100-250 ezer ember halt meg a japánok keze által, főleg azon több millió ázsiai közül, akiket a háború során kényszermunkára hurcoltak el. Lee Kuan Yew, Szingapúr egykori miniszterelnöke, aki tanúja volt szülővárosa lerohanásának és a japánok kis híján őt is kivégezték a Sook Ching mészárlás során, így vélekedett: „Hasonló aljasságot és gonoszságot mutattak ellenségeik felé, mint a hunok. Dzsingisz kán és hordái sem lehettek volna könyörtelenebbek. Nincs kétségem, hogy szükség volt a két atombomba Hirosimára és Nagaszakira való ledobására. Nélkülük több százezer civil pusztult volna el Malajziában és Szingapúrban, és több millió Japánban” [16]. Augusztus közepére Japán tárgyalásokat kezdeményezett Amerikával a fegyverletétel feltételeiről, a császár és a Birodalom egységének és szuverenitásának megtartása érdekében, azonban ezek nem vezettek eredményre. A hivatalos béketárgyalások augusztus 14-ére látszólag megtorpantak, mire Truman elnök egy újabb átfogó bombázást rendelt el Japán városai ellen. Aznap összesen 828 B-29-es hajtott végre támadást Iwakuni, Osaka, Tokoyama, Kumagaya és Isesaki városok ellen, további ezrek halálát okozva [5]. Másnap, Augusztus 15-én a Japán császár először szólt személyesen alattvalóihoz egy, az előző nap során rögzített rádióadáson keresztül, amelyben bejelentette a feltétel nélküli fegyverletétel elfogadását. Szeptember 2-án a USS Missouri hadihajó fedélzetén a japán kormány és a hadsereg képviselői aláírták a megadási okiratot és ezzel a Japán Birodalom hivatalosan is kapitulált. A második világháború ezzel befejeződött. Groves tábornok, a Manhattan projekt katonai vezetője, augusztus 19-ére várt egy újabb elkészülő atombombát, majd az elkövetkező két hónapban még hatot. Már ekkor felmerült, hogy mit kezdjenek a további bombákkal: „A probléma most [augusztus 13-án] az, feltéve hogy a japánok nem kapitulálnak, hogy továbbra is dobjuk-e le a bombákat, amint elkészülnek, vagy tartalékoljuk őket, hogy azután egyszerre dobjuk le őket mind, egy ésszerűen rövid időn belül? Nem mindet egy nap alatt, de egy rövid időszak alatt. És az szintén kérdéses, hogy mi legyen a célpont? Más szóval ne azokra a célpontokra koncentráljunk, amelyek a legnagyobb segítséget nyújtanák egy esetleges invázió számára, hanem az ipari, kulturális, pszichológiai, és ehhez hasonló taktikai célpontokra?”[17]. Ez a fajta hozzáállás elgondolkodtató. A városok bombázásának nem volt elsődleges katonai jelentősége. A kiválasztott célpontok a lakosság nagy központjai, Kyoto vagy Hirosima voltak a megfelelő „lélektani hatás” kiváltására, vagyis a pszichológiai hatások árán akarták térdre kényszeríteni Japánt. Ez a taktika nem vált be annak idején Németország ellen, mivel Hitler és a német nép nem adta meg magát és az európai fronton az utolsó töltényig harcolt. Azonban japán esetében az atombombázások nagy hatást gyakoroltak az uralkodóra. Egyes tudósok és történészek emiatt az atombombázásokat egyfajta „állami terrorizmusként” jellemzik. Az értelmezés alapján a terrorizmus fogalmának meghatározásában rejlik: „ártatlanok célba vétele politikai célok elérésének érdekében”. Ezen meghatározás szerint egy kategóriába tartozhat a német és japán városok gyújtóbombázása, az

4

Nukleon

2013. december

atombomba bevetése és a holokauszt is. A célpontok kiválasztásánál felmerült továbbá, hogy „az első bevetés látványosan demonstrálja a fegyver fontosságát és nemzetközi elismerést vívjon ki”[6]. Az atombomba bevetése tehát részben Sztálinnak is szólt és a Szovjetunióval folytatott hidegháború kezdetének is tekinthető.

A radioaktív sugárzás élettani hatásai Az atomfegyverek előállításának és az atomreaktorok üzemeltetésének veszélyei is vannak. A nukleáris technika korai időszakában azonban még nem ismerték ezeket a veszélyeket, így nem gondoskodhattak megfelelő biztonsági előírásokról és betartatásukról, emiatt több baleset is bekövetkezett. Ezek közül két kritikussági balesetet érdemes kiemelni, amelyek során a láncreakció nem tervezett beindulása játszotta a főszerepet, hasonló körülmények között. 1945. augusztus 21-én Harry Daghlian fiatal fizikus neutron reflektor volfrám-karbid téglákat rakott egy 6,2 kg-os szubkritikus plutónium félgömb mag köré, hogy a közel kritikus viselkedést vizsgálja. Az utolsó tégla felhelyezése előtt a neutrondetektorok jelezték, hogy a mag a kritikusság határán van, ekkor azonban a kezében tartott tégla megcsúszott és az elrendezés közepére esett. Bár azonnal szétszedte a prompt kritikussá vált máglyát, az addigra a kiszabaduló neutron- és gammasugárzás súlyosan károsította a sejtjeit. Daghlian megközelítőleg 5 Sievert (főleg neutron) sugárdózist szenvedett el, és 28 napra rá belehalt az akut sugármérgezésbe [18]. Ugyanez a plutónium mag (avagy akkori nevén „Démonmag”) 1946. május 21-én részt vett egy újabb balesetben. Louis Slotin a kritikus tömeg pontos meghatározása végett végzett kísérletet. Ezt „a sárkány farkának megcsiklandása” néven emlegették Los Alamosban a felmerülő életveszély miatt. A mag alsó felét neutronreflektor téglákkal vették körül, majd fölé lassan egy félgömb alakú berillium reflektort emeltek. Amint a spontán hasadásból származó neutronok közül egyre többet vert vissza a mag közepe felé a berillium, egyre több hasadás történt, ezzel megnőtt a termelődő neutronok száma. Amíg a félgömb nincs lezárva, addig ezen neutronok egy része ki tud szökni, és ez szubkritikusan tarja a reakciót. A kísérlet során csak néhány milliméternyi rést hagytak, hogy minél pontosabb becslést adhassanak a kritikus tömegre vonatkozóan. Ezt a távolságot egy csavarhúzó fejével és két kitámasztó fémlappal érték el. Slotin azonban ez alkalommal csak a csavarhúzó fejét használta, amely véletlenül kicsúszott a félgömb alól, teljesen bezárva a neutronokat, és a mag kritikussá vált. Slotin azonnal levette a félgömböt a bal kezével, amitől megszűnt a veszély, azonban a kemény gamma és neutron sugárzás ekkorra már megtette hatását. Később kék Cserenkov-sugárzásról, hőhullámról, savanyú szájízről és a bal kezében érzett égető érzésről számolt be. Az esemény alatt mintegy 3.1016 hasadás történhetett. Slotin 21 Sievert neutron és gamma sugárdózist szenvedett el, majd 9 nappal később akut sugárbetegségben halt meg [19]. Az amerikai kormány hivatalosan hősként tisztelte, mivel gyors reagálása megmentette kollégái életét. Az elhíresült plutónium magot a Crossroads Able tesztrobbantásban használták fel 1946. július 1-jén, egy hónappal Slotin halála után. Wigner Jenő és Alvin Weinberg szerint Slotin volt az első, aki a prompt kritikus reaktivitás mértékét először


VI. évf. (2013) 148

dollárnak nevezte. Az egy dollár, valamint ennek századrésze, az egy cent elnevezés a mai napig használatos. Az atombomba romboló erején túl az élő szervezetre gyakorolt hatása sok kérdést vetett föl. 1946-ban Lewis Weed összehívta a tudósok egy csoportját „egy hosszú távú kutatásra az atombomba biológiai és élettani hatásainak tanulmányozására, amely rendkívüli fontossággal bír az Egyesült Államok és az egész emberiség számára”. Az Atombomba Áldozatok Bizottsága (ABCC) 1946. november 26-án alakult meg Truman elnök utasítására. A bizottság célja az atombombák élettani hatásainak felmérése volt, egy tisztán tudományos kutatás, amely nem a túlélők meggyógyítását szolgálta. A japánok addigra már megszervezték a saját kutatócsoportjukat és tanulmányozták az atombombák közvetlen és későbbi hatásait. Tanulmányaik során kimutatták, hogy a sugárzás a vérképző szerveket és a nyirokrendszert érinti legsúlyosabban. Statisztikákat vezettek az áldozatok túlélési idejét illetően a robbanástól mért távolságuk függvényében. Az amerikaiak átvették ezeket az eredményeket és folytatták a vizsgálatokat. 1951-re az ABCC ezernél is több munkatársat foglalkoztatott, ebből 143 szövetséges orvost. A genetikai kutatások nem találtak kiterjedt genetikai rendellenességeket. A terhes nőket és a még meg nem született gyermekeket vizsgálva neurológiai problémákat, fejlődési rendellenességeket találtak, de nem volt kimutatható örökletes károsodás. A kutatásban résztvevők kiterjedt és rendszeres egészségügyi felülvizsgálatokra járhattak, amely abban az időben nem volt bevett szokás. A program 1956-ban zárult egy mindenre kiterjedt tanulmánnyal, amely a mai napig alapvető fontossággal bír a radioaktív sugárzás élettani hatásaival kapcsolatban.

Az Egyesült Királyság saját fejlesztésű atombombája Bár több brit tudós is részt vett a Manhattan projektben és az atombomba előkészítésében, nemzetbiztonsági okokból nem vehettek részt a gyártási folyamatban. Az amerikai kormány szigorú államtitokként kezelte, és a háború után nemzetközi kontroll alá akarta vonni az atomenergiát. Az Egyesült Királyság azonban nem akart lemaradni a kibontakozó fegyverkezési versenyben és nekilátott az atomfegyverek független kifejlesztésének. Attlee miniszterelnök 1945. augusztus 29-én felállított egy albizottságot GEN.75 néven a program megvalósíthatóságának vizsgálatára [20]. 1946 februárjában elkezdődött a hatalmas amerikai kutatóintézetek (mint Hanford vagy Oak Ridge) angol megfelelőinek létre hozása. 1946 októberében az albizottság éppen egy gázdiffúziós urándúsító létrehozása ellen készült szavazni, amikor feltűnt Ernest Bevin külügyminiszter és az amerikaiak tarthatatlan, lekezelő magatartására utalva követelte a támogatást. Végül a program folytatása mellett döntöttek az atomenergia előre látható ipari fontossága és Nagy-Britannia tekintélyének és befolyásának növelése érdekében. Valószínű, hogy ebben az időben a politikai elhatárolódás ellenére nem hivatalos információk is gazdát cseréltek a két ország katonai vezetői között. Az angol atombomba program „Oppenheimere” William G. Penney volt. Szakterülete a hidrodinamikai hullámok vizsgálata volt, lökéshullámok és óceáni gravitációs hullámok

5

Nukleon

2013. december

leírásával egyaránt foglalkozott. A háború során ő vezette a normandiai partraszállásnál használt hordozható hullámtörők kifejlesztését és gyártását. 1944-től Los Alamosban tevékenyen részt vett az amerikai Manhattan projekt implózióval kapcsolatos kutatásaiban, és egy megfigyelő gépen ülve szemtanúja volt Nagaszaki bombázásának. A háború befejezése után részt vett a bomba hatásainak elemzésében Japánban és az első kísérleti robbantások során a Bikini Atollon. 1946 végén a brit kormány felkérésére összeállította az első kezdeti jelentést, amely összefoglalta az atombombához szükséges anyagokat és eszközöket, valamint a szükséges további kutatásokat. A bomba kifejlesztésére irányuló program, amelynek vezetésére kijelölték, 1947 elején indult el, és fedőneve Nagy Erejű Robbanóanyag Kutatás (High Explosive Research) lett. Az első kísérleti atommáglyát 1947 közepén építették fel Harwellben, majd megindult az első plutóniumot termelő reaktorok építése Sellafield mellett (akkori nevén Windscale). Ezek a reaktorok nagyban hasonlítottak az 1942-ben Chicagóban épített atommáglyához, csak vízszintes elrendezésben. Az üzemanyag természetes fém urán volt alumínium burkolatban, grafit moderátorral körülvéve és mesterségesen cirkuláltatott levegő vezette el a termelődött hőt. Az üzemanyag kiégését alacsonyan tartva próbálták elkerülni a Pu-239-nél nehezebb plutónium izotópok keletkezését, amelyek a bomba idő előtti felrobbanásához vezethettek volna. 1949-re egyértelművé vált, hogy az atomenergiát és az atomfegyvereket nem lehet nemzetközi (amerikai) kontroll alá vonni, így az USA felújította az együttműködést a két ország között. A szovjet törekvésekkel szembeni összefogás elősegítésére összekapcsolták volna az urándúsítási és bombagyártási kapacitásokat, az Amerikában legyártott bombákból pedig Anglia is kapott volna. Azonban Klaus Fuchs, az egyik legjelentősebb szovjet atomkém lelepleződése keresztülhúzta ezeket a terveket, így a brit kutatók egyedül folytatták a fegyver kifejlesztésének programját. A kitűzött cél az Egyesült Királyság atombombához juttatása volt 1952 vége előtt. Az első nagy tisztaságú Pu-239 fémet 1952 márciusára sikerült előállítani, és augusztusra 18 kg plutónium állt rendelkezésre. A szűkös határidőre való tekintettel a kanadai Chalk River Laboratórium által előkészített plutóniumot is felhasználtak. A biztos siker érdekében ebből több különböző típusú hasadó magot gyártottak le [20]. 1952. október 3-án Hurrikán hadművelet fedőnév alatt Nagy Britannia felrobbantotta első atomfegyverét az ausztrál partoktól északra fekvő Montebello-szigetek közelében. A bomba felépítése nagyban hasonlított a Hirosimára ledobott Fat Man-hez, nagy erejű robbanóanyag lencsékkel fókuszált implóziós típusú volt, felfüggesztett maggal, amely megnövelte a bomba hatóerejét. A mérések szerint 25 kilotonna TNT-vel egyenértékű robbantás biztosította az Egyesült Királyság helyét a világ vezető atomhatalmai között.

Az amerikai atomkísérletek a második világháborút követően Az Amerikai Egyesült Államok a második világháború lezárását követően a világ egyedüli atomhatalma volt. A rivális Szovjetuniónak az akkori becslések szerint legalább 10 évre lett volna szüksége a felzárkózáshoz. Azonban a katonai vezetőség ekkoriban még semmiféle ismerettel nem


VI. évf. (2013) 148

rendelkezett az atombomba romboló hatásainak pontos koreográfiájáról, különböző hadszíntereken várható hatásosságáról, valamint az élő és élettelen környezetre kifejtett azonnali és utólagos hatásairól. Mindezek mellett a Manhattan projekt során a tudósok több eltérő konstrukciót is felvetettek az atombomba megalkotására, azonban a háború alatt csak a legbiztosabbnak vélt megoldást építették meg. Ezen kérdések megválaszolására, hasznos tapasztalatok gyűjtésére, és az elképzelések gyakorlatban való kipróbálására indultak el az első amerikai atomkísérletek. Először az atombomba tengerészeti flottákra kifejtett hatásait szerették volna megvizsgálni. Ez volt az első tesztsorozat Crossroads (Útkereszteződés) néven. A kísérlet helyszínéül a Csendes-óceánt, a Marshall-szigetekhez tartozó Bikini-atollt jelölték ki. A megsemmisítendő flottát kiöregedett amerikai hadihajókból, valamint zsákmányolt német és japán hajókból állították össze. A 95 hajót nyomás- és sugárzásmérő műszerekkel szerelték fel, a legénységet pedig állatokkal helyettesítették. 200 disznót, 60 tengerimalacot, 204 kecskét, 5000 patkányt és 200 egeret, továbbá több rovarfajt helyeztek el a hajókon, hogy a robbantás élő szervezetre gyakorolt hatását is tanulmányozhassák [21]. Megszámlálhatatlan fényképezőgépet és kamerát helyeztek el a környező tornyokban, valamit távirányítású repülőgépekben és a hajókon. A robbantásokhoz használt bombák a Nagaszakira ledobott implóziós bombák másolatai voltak. A hadművelet két részből állt, az Able és a Baker kísérletből. Az Able tesztet 1946. július 1-én hajtották végre, amelyben egy B-29-es repülőgépről ledobták az első bombát, ami 160 méterrel a flotta fölött robbant fel. Öt hajó elsüllyedt, 14 súlyosan megrongálódott, főleg a lökéshullám következtében. A romboló hatás elmaradt a várakozásoktól, mivel a bomba 650 méterrel eltévesztette a célt, így a fő hajócsoporttól távolabbi hajókban okozott kárt. A kísérleti állatok 35%-a pusztult el a robbanás és a sugárzás miatt. A Crossroads Baker tesztre 1946. július 25-én került sor, ez volt az első víz alatti robbantás, 27 méterrel a felszín alatt. 13 hajó süllyedt el, vagy vált javíthatatlanná (2. ábra). A fő romboló erő a víz alatt terjedő lökéshullám volt, amely behorpasztotta a hajótesteket. A tűzgolyó elforralta a környezetében lévő vizet, amely óriási buborékként emelkedett ki az óceánból, majd a visszazuhanó víztömeg 270 méteres szökőárat keltett maga körül. A legnagyobb problémát a víz elszennyezése jelentette, mivel a visszazuhanó víztömeg minden környező hajót beszennyezett. A kísérlet helyszínét napokig nem lehetett megközelíteni. Az el nem hasadt 4,8 kg plutónium adta a szennyezés legnagyobb részét. A kísérleti állatok jó része elpusztult, főleg az elszenvedett radioaktív sugárzás miatt. A 3. ábrán látható autoradiográfia egy doktorhalról készült 1946. augusztus 10-én (a halat egy éjszakára a fotólemezre fektették és a belsejéből származó radioaktív sugárzás adta ki a képet). A világos terület a hal által elfogyasztott algában felgyülemlett hasadványokra, a hal jól látható körvonala pedig a pikkelyekben kalcium helyett felhalmozódott plutóniumra utal. Ez a felvétel meggyőzte Blandy admirálist, a tesztsorozatot vezető tisztet, hogy a radioaktív szennyezés eltakarítását azonnal abba kell hagyni [21]. A személyi doziméterek szerint eddigre 67 tengerész kapott a megengedettnél nagyobb dózist. A tesztsorozat harmadik részét, egy mélytengeri robbantást, elhalasztották és a kísérletre végül csak 1955-ben került sor.

6

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 148

2. ábra: A Crossroads Baker kísérleti robbantásról készült felvétel (színezett) [28]. próbálták, így a teszek sikerei kritikusak voltak. A robbanások hatásainak vizsgálatára több bunkert, házat és gyárépületet húztak fel a közeli Mujinkarikku-szigetecskén. Ekkor próbálták ki először az atombombák erősítését (boosting) is. Egy megnövelt hatóerejű hasadási fegyver olyan nukleáris bombára utal, amely egy kis mennyiségű fúziós üzemanyagot használ a hasadási reakció megnövelésére.

3. ábra: Egy doktorhalról készült autoradiográfia a Crossroads Baker kísérleti robbantás után két héttel [22]. Az 1948-as Sandstone (Homokkő) kísérletek célja az atomfegyverek sorozatgyárthatóságának megfelelő, nagy erejű, költséghatékony szerkezet előállítása volt. Ezek főleg a Manhattan projekt során felmerült ötletek kipróbálását jelentették, amiket a háborús korlátok és a teljesítménykényszer miatt annak idején a tudósoknak félre kellett tenniük. A kísérletek eredménye egy sorozatgyártásra alkalmas, 20 kilotonna hatóerejű atombomba kifejlesztése lett (Mark 4), amelyet az Amerikai Hadsereg 1949-től rendszeresített. Ez a tesztsorozat már a Marshall-szigetekhez tartozó Enewetak Atollon zajlott, az AEC irányításával és a hadsereg támogatásával. Az 1951-es Greenhouse (Üvegház) hadművelet George robbantása volt a nagyszabású amerikai termonukleáris kísérletek előfutára, mivel itt próbálták ki először a magfúzió megvalósíthatóságát. A robbantás környezetében rengeteg távirányítású műszert szereltek fel, hogy kimérjék a szükséges fúziós reakcióparamétereket. Az eredmények az akkoriban fejlesztett “Szuper”, vagyis hidrogénbomba konstrukció megvalósíthatóságát hivatottak eldönteni. A kapott adatok megerősítették a várakozásokat, és megelőlegezték a hidrogénbomba fejlesztésének sikerét. Az USA eddigre már jelentős atomarzenállal rendelkezett, az újonnan legyártott bombák egy részét azonban még ki sem


A fúzió trícium és a deutérium gáz a hasadási üzemanyag gömb üreges középpontjába való bevezetésével érhető el. Mire a bomba felrobbantása után a hasadóanyag körülbelül 1 %-a elhasad, amely több száz tonna TNT hatóerőnek felel meg, a hőmérséklet elég magasra emelkedik ahhoz, hogy termonukleáris fúzió jöjjön létre. Mivel implóziós fegyvereket lehet úgy tervezni, hogy ebben a tartományban, egy kilotonna alatt legyen a várható hozamuk, a fúziós erősítés lehetővé teszi olyan kis mennyiségű hasadóanyagot tartalmazó, hatékony atomfegyverek gyártását, amelyek immunisak egy közeli nukleáris robbanás okozta neutronsugárzásra, ami más típusoknál korai detonációhoz vezethet a magas hasadási arány elérése nélkül. A következő fúziós reakció sebessége tipikusan 20-30 millió Kelvin fölött válik jelentőssé: 2 3 4 D+ T→ He (3,5 MeV) + n0 (14,1 MeV) 1 1 2 A deutérium - trícium fúzióból származó neutronok energiája megközelítőleg hétszer nagyobb, mint egy átlagos hasadási neutronnak, ami sokkal nagyobb valószínűséggel, plutóniumban mintegy nyolcszor nagyobb eséllyel, vezet maghasadáshoz, mint egy átlagos hasadási neutron esetében. Nagy energiákon a maghasadás hatáskeresztmetszete abszolút értékben és arányban is nagyobb, a szórási és a befogási hatáskeresztmetszethez képest. Egy nagy energiájú neutron hatására bekövetkező hasadás során másfélszer annyi másodlagos hasadási neutron szabadul fel. Ezek a fúziós neutronok az átlagos hasadási neutronokkal ellentétben a szegényített uránból készült bombaköpenyben is maghasadást okoznak. Így ezek a fúziós neutronok az idő

7

Nukleon

2013. december

múlásával nem elnyelődnek, hanem főleg újabb neutronokat termelnek, a viszonylag nagyszámú neutron pedig felgyorsítja a láncreakció késői szakaszát. A maghasadás aránya annyira megnövekszik, hogy sokkal több hasadóanyag képes maghasadást végezni, mielőtt a mag robbanásszerűen szétesik, így hozzávetőleg megkétszerezi annak hatékonyságát. A fúzió maga csak a felszabaduló energia kis részéért, 1%-áért felelős [23]. A kisebb súlyú bombával elérhető nagyobb hatóerő és a sugárzásállóság kombinációja biztosította, hogy a legtöbb modern hadsereg által rendszeresített nukleáris fegyver jelenleg fúzióval felerősített atombomba. A trícium rövid felezési ideje miatt (12,3 év) az erősítést szolgáló gázkeveréket időnként cserélni kellene. A hidrogén biztonságosan csak folyamatos hűtés mellett tárolható, emiatt csak bevetés előtt kellene a cseppfolyós gázkeverékkel feltölteni a fúzióval erősített bombákat. 1951 elején a Ranger (Erdész) kísérletek voltak az első Nevadai sivatagban végrehajtott robbantások. Ezeket repülőgépről dobták le, és különböző magasságokban robbantva meghatározták a lökéshullám terjedését és az ideális detonációs magasságot a maximális romboló hatás elérése érdekében. A minél kisebb mennyiségű értékes hasadóanyag felhasználása volt a kitűzött cél. Az ezt követő Buster-Jangle kísérletekben a kis hatóerejű bombák krátereit, majd a Tumbler-Snapper kísérletek során a lökéshullám által okozott károkat vizsgálták, ezzel a robbantás ideális magasságát próbálták meghatározni a maximális pusztítás érdekében. 1951-től kezdődően a Nevadai sivatagban végrehajtott atomkísérletek keretében került sor a Desert Rock (Sivatagi Szikla) gyakorlatokra is, amelyek során az atombomba valós harci körülmények között való bevethetőségét és annak gyalogságra gyakorolt pszichológiai és egészségügyi hatásait vizsgálták. Megfigyelték azon csapatok reakcióit és harci morálját, akik tanúi voltak egy nukleáris robbantásnak (4. ábra).

VI. évf. (2013) 148

ástak, harctéri létesítményeket és lőállásokat hoztak létre, majd a robbanás után megvizsgálták az okozott kárt az erődítményekben és a felszerelésekben egyaránt. A kísérleti területre a radioaktív kihullás miatt csak rövid időre, szigorú felügyelet mellett, előzetes mérések után léphettek be, filmdoziméterekkel és mérőműszerekkel felszerelkezve. Ezek a hadműveletek több tízezer katonát érintettek [24]. 1953. május 25-én, a Desert Rock ötödik gyakorlata keretében került sor az első tüzérségi atombomba kipróbálására is. Az Upshot-Knothole Grable lövést és a 21 ezer katonát mozgósító hadgyakorlatot több magas rangú katonai vezető személyesen is figyelemmel kísérte (5. ábra). A bomba egy 280 mm átmérőjű, 1380 mm hosszú, 364 kg-os tüzérségi lövedék volt, amelyet egy azonos kaliberű „Atomágyú”-ból lőttek ki [25]. Ez volt az első és egyetlen amerikai atombomba, amelyet egy ágyúból lőttek ki, és a második olyan, amely fegyver-típusú (tehát nem implóziós) konfigurációt használt. A hatóereje 15 kilotonna volt, vagyis nagyjából megegyezett a kilenc évvel korábban Hirosimára ledobott 4400 kg-os Little Boy hatóerejével. Az eddigi kísérletek során felrobbantott összesen 29 atombomba együttes hatóereje 785 kilotonna körüli volt.

5. ábra: Upshot-Knothole Grable kísérleti robbantásról készült felvétel [30]. Az ezt követő Ivy (Borostyán) hadművelet során azonban jóval e fölé mentek. Két kísérleti robbantást terveztek, a Mike és a King tesztet. Az Ivy King volt az amerikaiak által felrobbantott legnagyobb, tisztán maghasadásos láncreakción alapuló oralloy (nagy dúsítású urán-235) bomba, amelyet a hidrogénbomba sikertelenségének esetére terveztek. Az 1952. november 16-án elvégzett, 500 kilotonna hatóerejű teszt során 25-ször annyi energia szabadult fel, mint hét évvel azelőtt Nagaszaki városa fölött [25]. A Mike robbantás azonban jóval felülmúlta az összes addigi kísérlet és a tudósok várakozásait, eljuttatva az emberiséget a termonukleáris fegyverek korszakába.

4. ábra: A Buster-Jangle Dog kísérleti robbantásról készült felvétel, amelyre az első Desert Rock gyakorlat keretében került sor, 1951. november 1-én [29]. Különböző katonai manővereket és hadműveleteket hajtottak végre a „nukleáris csatatéren”, szimulálva a taktikai nukleáris hadviselést offenzív vagy defenzív célzattal. A katonák több robbantást is megfigyelhettek, kiképezték őket a bomba hatásaira és veszélyeire, a teszt előtt árkokat


A 10,4 megatonnás Ivy Mike (10,4 millió tonna TNT-vel egyenértékű) hidrogénbomba felrobbanás volt az emberiség első sikeres kísérlete a maghasadás segítségével beindított termonukleáris fúzió energiájának kiaknázására. A keletkezett tűzgolyó 5 kilométer átmérőjű volt, elsöpörve minden vegetációt a környező szigetekről. Az Eugelab-sziget helyén csupán egy 2 km széles és 50 méter mély öböl maradt, a sziget és a korallzátony egyes, erősen radioaktív darabjai a 48 kilométerre horgonyzó megfigyelő hajókat is elérték. A robbanás energiájának mintegy 80%-a a szegényített urán reflektor gyors neutronokkal való hasításából származott és

8

Nukleon

2013. december

csak 20%-a D-T magfúzióból, így jelentős mennyiségű hasadvány keletkezett. Az ezután következő Castle (Kastély) kísérletsorozat célja egy repülőgép által szállítható és katonailag bevethető, hidrogénbomba kipróbálása volt, amely „száraz” fúziós üzemanyagot, vagyis a folyékony deutérium helyett lítiumdeuteridot használ. A LiD szobahőmérsékleten szilád, vagyis könnyebben kezelhető, a lítium pedig gyors neutronok hatására tríciumot termel, és így a hidrogénbomba helyben termeli meg a saját fúziós üzemanyagát. A kísérletsorozat első tagja a legnagyobb amerikai kísérleti atomrobbantás, a Castle Bravo volt, amely 15 megatonnás hatóerejével jelentősen (250 %-kal) meghaladta az előzetes várakozásokat, és a hasadványokból származó kihullás súlyosan elszennyezte a környező szigeteket, beleértve azok lakosságát és az ott állomásozó amerikai katonákat, valamint egy japán halászhajó, a Daigo Fukuryū Maru (Szerencsés Sárkány No. 5) legénységét és a Csendes Óceán egy részének halállományát. Az elszenvedett akut sugármérgezés a legénység egyik tagja, Aikichi Kuboyama rádiós esetében halálos kimenetelű volt, amely a későbbiekben hozzájárult az atomfegyverek felhalmozását és az atomenergia használatát ellenző nemzetközi mozgalom kialakulásához és az 1963-as Részleges Atomcsend Egyezményhez [26]. Azonban nem csak tervezett atomkísérletek alkalmával robbantak fel atombombák. Az interkontinentális ballisztikus rakéták kifejlesztése és elterjedése előtt az Amerikai Légierő B-29-es, B-36-os és B-50-es repülőgépei voltak hivatottak az atomfegyverek szállítására. Ezek közül több is lezuhant vagy kényszerült műszaki hiba miatt megválni terhétől, azonban a biztonsági előírásoknak köszönhetően egyik esetben sem következhetett be nukleáris robbanás. 1950. február 13-án az Amerikai Légierő részt vett az első nagyszabású, Szovjetunióval folytatott nukleáris háborút szimuláló hadgyakorlatban vett rész, amelyben a szovjet hadműveleteket, vagyis amerikai városok bombázását is szimulálták. Ennek keretében egy Convair B-36B repülőgépnek Alaszkából felszállva egy San Francisco városa ellen irányuló szimulált szovjet nukleáris támadást kellett volna végrehajtania. Ennek érdekében egy Mark 4 atombombát is szállított a fedélzetén, amely jelentős mennyiségű természetes uránt és több tonna hagyományos robbanóanyagot tartalmazott, azonban nem tartalmazta a nukleáris robbanáshoz szükséges plutónium magot. A gyakorlat célja egyúttal annak megállapítása volt, hogy a kor repülőgépeivel meg lehet-e támadni a Szovjetuniót a

VI. évf. (2013) 148

sarki tél beállta után, amikor a hőmérséklet olyan alacsony, hogy ha a repülőgépek utántöltés közben kikapcsolnák a motorokat, azokat nem lehetne újraindítani és a gép nem tudna újra felszállni. Hét órával felszállás után a rossz időjárási viszonyok, a szárnyak és a motor eljegesedése következtében a repülőgép hat motorjából három kigyulladt. A legénység úgy döntött, hogy elhagyja a repülőgépet, mivel az nem tudott levegőben maradni a maradék három motorral és nehéz rakományával. Az atombombát kidobták és a Csendes-óceán fölött a levegőben felrobbantották. Ez volt az első alkalom, hogy a hadsereg elvesztett egy atombombát [27]. A légi jármű parancsnoka a gépet a Princess Royal sziget felé kormányozta és a legénység 17 tagja ejtőernyő segítségével elhagyta a gépet, amely a kanadai Brit Columbiában, az alaszkai határtól 80 km-re lezuhant. Bár a rossz időjárás hátráltatta a Kanadai Királyi Légierő keresési erőfeszítéseit, végül 12 férfit életben találtak. A pilóta úgy vélte, hogy azok, akik korábban ugrottak ki a repülőgépből, mint a legénység életben maradt tagjai, feltételezhetően az óceánba érkeztek és megfulladtak. 1950. április 11-én az Új-mexikói Albuquerque-ben lévő Kirtland bázisról való felszállás után három perccel lezuhant egy B-29-es repülőgép, amelynek fedélzetén egy atombomba is volt. A gép kigyulladt, a bomba szerkezete erősen megrongálódott és a robbanóanyagok a becsapódáskor kiömlő égő üzemanyaggal való találkozás hatására felrobbantak. A lángokat több mint 20 kilométerről is látni lehetett. A nukleáris robbanás nem következhetett be, mert biztonsági okokból a plutóniumot a bombától külön tárolták. A személyzet mind a 13 tagja meghalt. A katonai jelentés szerint az összes hasadóanyagot sikerült visszaszerezni. Az amerikaiak nemzetbiztonsági okokból titokban több atombombát telepítettek Kanadába is a második világháború után. 1950. november 10-én egy Kanadából hazafelé tartó B50-es repülőgép motorhibát érzékelt és megsemmisített egy atombombát a Szent Lőrinc folyó fölött. A bombát 3200 m-en dobták ki és 750 m-en robbantották fel, a plutónium mag behelyezése nélkül. A robbanás, amely a bomba köpenyében használt 45 kg szegényített uránt szétszórta a környék felett, felkészületlenül érte a környék lakosait, akik ezt szovjet támadásnak vélték. A területen szétszórt urán enyhe radioaktív szennyezése a mai napig kimutatható. A cikksorozat következő részében a második világháború befejezését követő hidegháborúról, a szovjet atombomba programról, a hidrogénbomba kifejlesztéséről és az atomenergia villamosenergia termelésére való felhasználásáról lesz szó.


http://www2.gwu.edu/~nsarchiv/NSAEBB/NSAEBB162/23.pdf Bard Memorandum. (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[2]

http://www.dannen.com/decision/45-07-03.html Szilárd Leó petíció 1945. július 3. U.S. National Archives. (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[3]

http://www.dannen.com/decision/45-07-04.html Szilárd Leó petíció kísérőlevél 1945. július 4. U.S. National Archives. (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[4]

http://www.dannen.com/decision/45-07-17.html Szilárd Leó petíció 1945. július 17. U.S. National Archives. (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[5]

Frank, Richard B.: „Downfall: The End of the Imperial Japanese Empire”, Penguin Books, London, 1999.

[6]

http://www.dannen.com/decision/targets.html Jegyzet a célpontokat kiválasztó bizottság második üléséről. U.S. National Archives. (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[7]

Richard Rhodes: „Az atombomba története” Park Könyvkiadó, Budapest, 2013. Fordította: Makovecz Benjamin

[8]

http://www.ibiblio.org/hyperwar/AAF/USSBS/AtomicEffects/img/AtomicEffects-p7a.jpg http://www.ibiblio.org/hyperwar/AAF/USSBS/AtomicEffects/img/AtomicEffects-p7b.jpg (Letöltve: 2013. augusztus 26.)


9

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 148

[9]

S. Glasstone, Philip J. Dolan (szerk.): "Chapter VII — Thermal Radiation and Its Effects", The Effects of Nuclear Weapons (3. kiadás), United States Department of Defense and the Energy Research and Development Administration, 1977, pp.300, § "Mass Fires" 7.61

[10]

James J. Weingartner: "Trophies of War: U.S. Troops and the Mutilation of Japanese War Dead, 1941–1945". Pacific Historical Review 1992 61 (1): 53–67.

[11]

http://en.wikipedia.org/wiki/Soviet_invasion_of_Manchuria (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[12]

Palmer, David: "Korean Hibakusha, Japan's Supreme Court and the International Community: Can the U.S. and Japan Confront Forced Labor and Atomic Bombing?". Asia-Pacific Journal, 20 February 2008.

[13]

http://www.rerf.or.jp/general/qa_e/qa2.html Radiation Effects Research Foundation (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[14]

Kyoko Iriye Selden, Mark Selden (szerk.): The Atomic Bomb: Voices from Hiroshima and Nagasaki. M. E. Sharpe Inc., Armonk, NY (USA), 1989

[15]

http://www.peak.org/~danneng/decision/usnews.html Szilárd Leó interjú 1960. (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[16]

http://en.wikipedia.org/wiki/Debate_over_the_atomic_bombings_of_Hiroshima_and_ Nagasaki (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[17]

"The Atomic Bomb and the End of World War II, A Collection of Primary Sources". National Security Archive Electronic Briefing Book No. 162. George Washington University. 13 August 1945.

[18]

McLaughlin, Thomas P.; Monahan, Shean P.; Pruvost, Norman L.; Frolov, Vladimir V.; Ryazanov, Boris G.; Sviridov, Victor I. (2000 május), A Review of Criticality Accidents, Los Alamos, New Mexico: Los Alamos National Laboratory, pp.74–75, LA-13638.

[19]

"LA-13638 A Review of Criticality Accidents" (PDF). Los Alamos National Laboratory, 2000. május, pp. 74–76.

[20]

http://nuclearweaponarchive.org/Uk/UKOrigin.html Az angol atombomba program. (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[21]

http://en.wikipedia.org/wiki/Operation_Crossroads (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[22]

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/48/Crossroads_Radioactive_Puffy _Surgeon_Fish.jpg Joint Task Force One, Operation Crossroads: the Official Pictorial Record, 1946, p 216. (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[23]

http://en.wikipedia.org/wiki/Boosted_fission_weapon (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[24]

http://en.wikipedia.org/wiki/Desert_Rock_exercises (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[25]

http://en.wikipedia.org/wiki/Upshot-Knothole_Grable (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[26]

Gerard J. DeGroot: The Bomb: A Life. Harvard University Press, London, 2004 pp. 196

[27]

http://en.wikipedia.org/wiki/1950_British_Columbia_B-36_crash (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[28]

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bb/Operation_Crossroads_Baker _in_color.jpg (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[29]

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5a/Buster-Jangle_shot_with _personnel.jpg No.: XX-47, Photo courtesy of National Nuclear Security Administration / Nevada Field Office. (Letöltve: 2013. augusztus 26.)

[30]

http://farm8.staticflickr.com/7114/7597525640_cf3aae4305_o.jpg Photo courtesy of Los Alamos National Laboratory. (Letöltve: 2013. augusztus 26.)


10

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 149

Az atomenergia megítélése az Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Karának hallgatói körében Puskás-Farkas Boglárka Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar 1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A.

Minden ember számára természetes, hogy mindennapi életünkhöz energiára van szükség, az energia életünk minden pillanatában jelen van, energiaellátás nélkül már nem tudna létezni a társadalom. A jövő energiaellátásának egyik nagy kérdése, hogy az alternatív erőművek a hagyományos, nem megújuló energiaforrást használó erőművek mellett mikor és milyen arányban jutnak szerephez, a már meglévő erőművek felváltása, illetve kiegészítése milyen mértékben valósul meg? Korábbi publikációkhoz hasonlóan (1987, 1993, 2007, 2011, 2013) készítettem egy felmérést, amelyben az Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Karán tanuló hallgatók tudását, tájékozottságát, és véleményét mértem fel az atomenergia témakörében, különös hangsúlyt fektetve az energetikai kérdésekre.

Célkitűzés A népességszám növekedése együtt jár az energiafelhasználás növekedésével. Fokozódnak az igények, felgyorsul a termelés, mindehhez újabb és újabb nyersanyagkészletek feltárására volna szükség. Ezzel szemben a földi készletek csak korlátozottan állnak rendelkezésünkre, kimerülni látszanak, új lelőhelyek feltárásában pedig egyre kevésbé reménykedhetünk, azonban energiaellátás nélkül ma már nem lenne képes fennmaradni a társadalom. A mindennapi élet összes mozzanatához energiára van szükség, gondoljunk akár a főzésre, a fűtésre, a közlekedésre, a termelésre, illetve bármilyen egyéb tevékenységre. A fenntartható fejlődés lényege, hogy a folyamatos gazdasági fejlődést úgy kell biztosítani, hogy eközben környezetünk megóvására is törekedjünk. A jövő generációinak számára biztosítanunk kell a számunkra is elérhető javakat eredeti formájukban, minden emberi tevékenység során a környezetszennyezés minimalizálásának szem előtt tartásával. A fenntartható fejlődés elveivel összehangolt energiastratégiát kell alkalmaznunk: mérsékelni kell az energiaforrások pazarló felhasználását, be kell tartani az egészségügyi és biztonsági előírásokat ügyelve a bioszféra védelmére, valamint a lokális szennyeződések elkerülésére is. Az erőművek energiaátalakító-berendezések, amelyek a rendelkezésünkre álló energiaforrásokat egy- vagy többlépcsős folyamatban alakítják át villamos energiává és/vagy hővé. Energiát tudunk felszabadítani az atommagok átalakításával is. Az atomenergia alkalmazása a II. világháború alatt indult meg az atombomba kifejlesztésével; azóta az atomerőművek létesítése hozzájárul a világ energiaellátásához. Kezdetben azt tervezték, hogy a fosszilis energiahordozókból származó energia felhasználását kiváltsák az atomerőművek által előállított energiával, azonban hamarosan rá kellett ébredni, hogy az atomerőművek fűtőelemeként szolgáló urán sem megújuló energiaforrás.


Az atomenergia használatát ma is sokan ellenzik, hiszen számos annak alkalmazásával járó veszélyes környezeti hatás létezik: az atomerőművek létesítésétől egészen a hulladékok elhelyezéséig. Cikkemben az Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Karán tanuló hallgatók által megválaszolt atomenergiával kapcsolatos felmérést elemzem, amelyet 200 – elsősorban környezettan szakos – hallgató töltött ki. Vizsgálati módszerem a kérdőíves felmérés, tárgya pedig az atomenergiával kapcsolatos egyetemi tudás felmérése, a jövő energetikai lehetőségei, valamint az erőművek által okozott környezeti hatásokkal kapcsolatos vélemények elemzése.

Korábbi felmérések a diákok nukleáris ismereteiről Az általam végzett felmérést korábbi publikációk alapján készítettem. Az atomenergia megítélésével kapcsolatos kutatást Dr. Radnóti Katalin kezdte 1987. [1], 1993. [2], és 2007. [3] évi felmérésekkel, amelyet 2011-ben Horváth András kérdőíve követett [4], majd 2013 tavaszán megjelent Zöld Andrea cikke [5], amelyben a magfizika tanításának hatékonyságát vizsgálta a magyar fiatalok körében. A kutatások alanyai többnyire középiskolás tanulók voltak, akik tanulmányaik során már megismerkedhettek a magfizikával, de komolyabb ismereteket még nem szereztek a témában. A 2011-es felmérés válaszadói eltérő életkorú személyek voltak, nem hozzáértő, nem a természet-tudományos témákra szakosodott emberek. Azért készítettem egy újabb kutatást, mert véleményem szerint érdekes lehet olyan egyetemi hallgatók véleményét, tudását felmérni, akik minden nap szembesülnek tanulmányaik során a magfizikával, az átlagnál feltehetően nagyobb tudással rendelkeznek a témáról, ezáltal a helyes ismeretek birtokában jobban megalapozott véleményt tudnak alkotni az atomerőművek energetikai célú alkalmazásáról.


2013. augusztus 10. 2013. szeptember 6.

Nukleon

2013. december

A vizsgálat menete, a kiértékelés módszere Kérdőívemet az Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Karán tanuló hallgatók között 2013 áprilisában az internet segítségével töltettem ki 200 fővel; válaszadóim főleg aktív státuszú környezettan alapszakos hallgatók közül kerültek ki. A kitöltők 50%-a nő, 50%-a pedig férfi volt. A kérdőívem 18 kérdést tartalmazott, melyek közül 2 demográfiai kérdés volt (neme, szakirány), további 4 pedig eddig még nem szerepelt a korábbi kutatásokban. Cikkemben a legtöbb kérdésre adott választ elemzem. A kiértékelést Microsoft Office Excel program segítségével végeztem; az egyes kérdésekre adott válaszokat százalékosan kördiagramok segítségével szemléltetem.

A kiértékelés A kérdések egy része a hallgatók tudását, tájékozottságát vizsgálta (3., 4., 5., 6., 7., 8., 9., 10., 11., és 12.), míg másik része a saját véleményükre volt kíváncsi (1., 2., 14., 15., és 16), ezek kifejtése következik a továbbiakban.

VI. évf. (2013) 149

elméleti háttérrel rendelkeznek az atomenergiáról, így tudatosan tudnak dönteni a témában.

2. ábra: A 2. kérdés eredményei A kérdés azért is érdekes, mert a korábbi évek eredményei is közel hasonló értékeket adtak, még Csernobil után 1 évvel és a fukusimai atomerőmű-baleset után is lehetséges alternatívaként gondoltak a maghasadás következtében felszabaduló energiára.

Egyes kérdések esetében összehasonlítást is végeztem a korábbi évek eredményeivel , amennyiben az adott kérdésnél ezt fontosnak ítéltem., Valamint a helyes választ adók közül néhány esetben a nemek eltérő arányait is kiemeltem. 1. Mi jut eszébe, ha meghallja azt a szót, hogy atom? 3% 13% 4% 15%

3. ábra: A 3. kérdés eredményei 65% energia bomba és energia magas színvonalú technika

bomba az anyagok építőeleme

1. ábra: Az 1. kérdés eredményei Az első kérdés (1. ábra) azt vizsgálta, hogy a válaszadóknak mi jut eszébe az atom szó hallatán. Az egyetemisták 65%-a a korábbi felmérésekhez hasonlóan a tankönyvi definícióra asszociált a szó hallatán; ez is tükrözi azt a lexikális tudást, amelyet nap mint nap hosszú távra el kell sajátítaniuk. Ezt követte csaknem azonos arányban a bomba és energia válaszlehetőség, tehát 15% az atom két alkalmazását jelölte meg, amelyről eltérően vélekedik a társadalom. Valamint 13%-nak az energetikai megközelítés jut az eszébe. A maghasadás folyamatának negatív hatását vitathatatlanul az atombomba alkalmazása jelenti, míg az energiatermelés – tehát az atomerőművek – jelentik sokak számára a pozitív alkalmazási lehetőséget. Továbbá 4% gondol az atom szó hallatán a pusztító fegyverre, 3% pedig a magas színvonalú technikára asszociál. A 2. ábrán látható, hogy az egyetemisták véleménye megoszlik a nukleáris energiáról, azonban összesen 64% gondolja károsnak és veszélyesnek az alkalmazását, 36% pedig hasznosnak ítéli meg. Összességében elmondható, hogy ugyan veszélyesnek találják, de nem utasítják el végérvényesen az atomenergia alkalmazását. Megfelelő biztonsági technikával lehetséges energiaforrásnak vélik 27%ban. Ez azért fontos adat, mert a felmérés alanyai megfelelő


4. ábra: A 4. kérdés eredményei A harmadik és a negyedik ábrán látható kérdések a természettudományi szakos hallgatók tudását mérte fel az atombombában és az atomerőműben végbemenő folyamatokról. Látható, hogy a harmadik kérdés esetében a helyes választ a hallgatók 52%-a találta el, tehát a válaszadók kicsit több mint fele tudta, hogy az atombombában szabályozatlan nukleáris reakció játszódik le; amely kifejezetten rossz aránynak tűnik olyanoktól, akik az átlagnál hozzáértőbbnek tekinthetőek. A negyedik kérdés esetében 67% ismerte, hogy az atomerőművekben szabályozott nukleáris reakció vezérli az energiatermelést, tehát 15%-kal több helyes válasz érkezett, mint a harmadik kérdés esetében. A válaszadóknak vélhetően több információja van az atomerőművekről, mint az atombombákról. A maghasadás folyamatát sokan hibásan a magfúzióval tévesztették össze, továbbá elszomorító, hogy 7% és 5% egyáltalán nem rendelkezett semmilyen ismerettel a kérdésekről.

2

Nukleon

2013. december

Lényeges különbség adódott a nők és a férfiak válaszait illetően. Mindkét kérdés esetében a férfiak ismerték nagyobb többségben a helyes választ. A 2011-es felmérés adatai alapján elmondható, hogy a helyes választ a jelenlegi felmérésben ugyan mindkét kérdés esetében többen jelölték meg, azonban a természettudományra szakosodott hallgatók esetében véleményem szerint magasabb is lehetne a helyes választ adók aránya.

VI. évf. (2013) 149

hőmérsékletét, ezáltal hozzájárulnak a globális éghajlatváltozáshoz. Az üvegházhatású gázok nélkül a Föld átlagos hőmérséklete nem + 15 °C, hanem – 15 °C lenne [7]. Az egyes erőművek létesítésekor lényeges szempont, hogy az építési munkálatok, valamint a tényleges üzemeltetés során mekkora az üvegházhatású gázok emissziója, ezáltal melyik erőműtípus mondható környezetkímélőbbnek ebből a szempontból. A Természettudományi Kar hallgatói közül 85% tisztában volt azzal, hogy az atomerőművek nem bocsátanak ki üvegházhatású gázokat (csupán ezreléknyi mértékben [8]). A nukleáris erőművekkel szemben a fosszilis energiaforrásokon alapuló erőművek (szén, kőolaj, földgáz) viszont jelentős mértékben szennyezik a környezetet ezekkel a gázokkal, továbbá egyéb, az egészségre káros termékekkel (például szén-monoxid, nitrogén-oxidok, kén-oxidok, pernye, poliaromás-szénhidrogének, dioxinok) [9]. Korábbi évek felméréseivel összevetve elmondható, hogy a környezettudományokkal foglalkozók 15%-kal nagyobb arányban válaszoltak helyesen a fenti kérdésre, mint a korábbi felmérések alanyai.

5. ábra: Az 5. kérdés eredményei Az ötödik kérdés (5. ábra) az atomerőművek egyik környezeti hatását vizsgálta. Tudjuk, hogy az atomerőművekben lezajló maghasadás során radioaktív sugárzás keletkezik, amely a kapott dózistól függően akár halálos kimenetelű is lehet; azonban azt kevesen tudják, hogy az atomerőművek építésekor szigorú biztonsági előírásokat kell betartani, és az úgynevezett mérnöki gátak akadályozzák meg, hogy a radioaktív anyagok a környezetbe jussanak [6]. A válaszadók 19%-a túl optimista volt, hiszen elhanyagolható mértékben, de növekszik a nukleáris erőművek környezetében a sugárzási szint; ezt a hallgatók 56%-a helyesen jelölte meg, amely az eddigi felmérések közül a legmagasabb érték. Az atomenergiával kapcsolatos elutasító nézetek egyik forrása érthetően a radioaktív sugárzás egészségügyi hatásaitól való félelem. A válaszadók 8%-a szerint azonban már veszélyes mértékben nő a sugárzási szint, amely ha jobban belegondolunk, azt eredményezné, hogy a világon nem is lehetne atomerőműveket létesíteni. Korábbi felmérésekkel összevetve elmondható, hogy régen is és most is a többség eltalálta a helyes választ, azonban a régebbi felmérésekben a második legtöbb szavazat minden esetben a veszélyes mértékű növekedés volt.

7. ábra: A 7. kérdés eredményei A kapott dózistól függően az ionizáló sugárzások eltérő mértékben károsíthatják szervezetünket. Bizonyos mértékű dózis után sugárbetegségről beszélünk, ekkor a betegnél már jelentkeznek a sugárbetegség tünetei (hányinger, gyengeség, hajhullás, szervi károsodás) [10]. A betegséget helytelenül sugárfertőzésnek is nevezik, azonban a beteg nem fertőzhet meg másokat, a betegség nem terjed. A válaszadók 70%-a tisztában volt vele, hogy a sugárbetegség nem fertőző, elkeserítő azonban, hogy a Természettudományi Kar hallgatóinak összesen 30%-a szerint mégis fertőző a sugárbetegség, ebből 8% a cseppfertőzést és a nemi úton való terjedést jelölte meg helyes válaszként. A kérdés szerepelt a korábbi évek felméréseiben is, és közel ugyanannyian jelölték meg a rossz válaszokat 2007. és 2011. években. A helyes választ adók aránya 20%-kal magasabb volt az Eötvös Loránd Tudományegyetem hallgatói között. A férfiak és a nők aránya a megfelelő választ adók közül közel azonosnak mondható.

6. ábra: A 6. kérdés eredményei Az üvegházhatású gázok (például szén-dioxid, metán, ózon, dinitrogén-oxid) jelentős mértékben befolyásolják a Föld


A nyolcadik kérdés (8. ábra) egy tipikus számolási feladatról szólt, amelynek megoldásához a felezési idő fogalmának ismeretére volt szükség (mennyi idő alatt csökken a radioaktív atommagok száma éppen a felére). Ez az egyszerű számítási példa – amelyet akár logikai úton is könnyen meg lehet oldani – rámutat arra, hogy sajnos a hozzáértő egyetemi hallgatók 30%-a nem tudott megbirkózni a feladattal, az elméleti tudást gyakorlati példában nem tudták alkalmazni. 70% azonban eltalálta, hogy 125 darab a helyes válasz.

3

Nukleon

2013. december

8. ábra: A 8. kérdés eredményei 10% jelölte meg a legbonyolultabbnak látszó választási lehetőséget, valószínűleg gondolkodás nélkül jutottak erre a következtetésre. A nemek közti megoszlás ismét jelentős, a férfiak nagyobb arányban birkóztak meg a feladattal. Korábbi publikációkkal összevetve elmondható, hogy az akkori válaszadók kevesebb, mint 50%-a felelt helyesen, így a jelenlegi 70% kimagasló eredménynek mondható.

VI. évf. (2013) 149

az ebből következő üzemzavarok, balesetek bekövetkezési valószínűségére kérdezett rá. A csernobili atomerőmű 1986. április 26-án éjjel 1 óra 23 perckor bekövetkező felrobbanása nagymértékben hozzájárult az atomenergiával szembeni elutasító nézethez. Azonban tudnunk kell, hogy Csernobilban RBKM (nagy teljesítményű, csatorna típusú) atomreaktor üzemelt, amely felépítésében különbözik a Pakson található nyomottvizes reaktoroktól. A felszabaduló energia elszállítását a hűtőközeg végzi, amely a nyomottvizes reaktorok esetében víz. A víz egyben a moderátora is az ilyen típusú reaktoroknak, ez egyfajta beépített biztonság is, hiszen ha a hűtővíz elforrna, nem lenne moderátor anyag, amely a neutronokat kellő mértékben lelassítja, így a láncreakció megszakadna. Ezért ez a reaktortípus az egyik legbiztonságosabb [6]. A helyes választ a kitöltők fele tudta az erre vonatkozó kérdésre, amely az előző évek felméréseihez viszonyítva jóval többnek mondható. 21% abban a tévhitben él, hogy akár Magyarországon is bekövetkezhet a csernobili katasztrófához hasonló pusztító baleset. S ami talán még meglepőbb, hogy a Természettudományi Kar hallgatói közül 29% egyáltalán nem rendelkezett semmilyen ismerettel a témáról.

11. ábra: A 11. kérdés eredményei 9. ábra: A 9. kérdés eredményei A kilencedik kérdés (9. ábra) a radioaktív sugárforrások alkalmazási területeire kérdezett rá. Valójában minden válaszlehetőség helyes válasznak számított, füstjelzőkben, rákos daganatok elpusztítására és mezőgazdasági termékek sterilizálására is egyaránt alkalmazzák a sugárforrásokat. Ezt azonban a kitöltők 23%-a tudta csak, legtöbben (72%) csak az egyik lehetséges alternatívára– a rákos daganatok elpusztítására – asszociáltak.

A következő kérdés eddig még nem szerepelt a kutatásokban, de véleményem szerint nagyon fontos vizsgálni, hogy az emberek milyen ismereteket szereztek a nukleáris hulladékokról. A nukleáris erőművek esetében nem az általuk kibocsátott szennyező anyagok jelentik a legnagyobb problémát, hanem a kiégett 235U fűtőelemek biztonságos elhelyezése. A fűtőelemek radioaktív hulladékok, sugárzó anyagok, amelyek funkciójuk betöltése után még legalább 100 ezer évig sugároznak! Egy reaktorból évente körülbelül 30 tonna kiégett fűtőelemet kell elhelyezni, tonnánként 180 millió Ci, azaz ~6·1018 Bq (1 Ci = 3,7·1010 Bq) aktivitással, tehát ~6·1018 bomlás történik másodpercenként [11]. Napjainkban jellemzően a föld mélyére helyezik a nukleáris hulladékot. A helyes választ a válaszadók 76%-a találta el, amely igen kimagasló arány., A többi válaszlehetőség nem lehetséges alternatíva napjainkban, hiszen nyilván keletkeznek nukleáris hulladékok, amelyek elégetése vagy tengerek mélyére helyezése igen komoly környezeti problémákat vonna maga után. A válaszadók talán ismerik a közelmúlt történelmét, azért jelölték be például a tengerek mélyére helyezést; hiszen korábban Anglia, Oroszország és az USA is helyezte tengerekbe nukleáris hulladékát, de ez természetesen napjainkban már nem alternatíva.

10. ábra: A 10. kérdés eredményei A tizedik kérdés (10. ábra) az atomreaktorok szerkezeti felépítésére, a működés mechanizmusára, végső soron pedig


4

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 149

felhasználásuk által egyre inkább bekerültek a fennálló lehetőségeink közé. Korábbi publikációkkal összehasonlítva hasonló kaptam, a napenergiát részesíti előnyben a legnagyobb hányada, azonban szem előtt kell hogy a többi energiaforráshoz hasonlóan a alkalmazása sem veszélytelen megoldás.

eredményt társadalom tartanunk, napenergia

12. ábra: A 12. kérdés eredményei A tizenkettedik kérdés (12. ábra) is egy általam újonnan vizsgált téma. A világ egyre növekvő energiaigényeinek kielégítéséhez szükséges energia előállítása a megújuló és nem megújuló energiaforrásokon alapuló erőművek segítségével történik. Arra voltam kíváncsi, hogy a hallgatók becslése szerint a világ összesített energiatermelésének hány százalékát adják a nukleáris erőművek. Az 50% és a 20% lehetőségét a kitöltők összesen 57%-a jelölte meg. Ezek nagyon magas értékek lennének, az atomenergia részesedése még közel sem éri el ezeket a százalékokat. A helyes válasz körülbelül 6% volt [12], a hallgatók 36%-a találta el ezt az értéket. Egyes természettudományos kurzusok keretein belül a tananyagban is szerepelt ez az adat, valószínűleg a hallgatók emlékeztek erre. 14. Milyen megoldásokat javasolna a jövő energiaigényeinek kielégítésére? Több választ is megjelölhet! 80 60 %

40 20 0 kőolaj, földgáz

szénenergia napenergia

nukleáris energia

biomassza vízenergia

14. ábra:

A 15. kérdés eredményei

A korábbi atomerőművek felépítésével kapcsolatos kérdéshez visszatérve a tizenötödik kérdés (14.. ábra) arra kérdez rá, hogy mi legyen a Paksi Atomerőmű jövője? A Paksi Atomerőmű 1982 óta járul hozzá Magyarország energiaellátásához, és 38-45%-ban fedezi hazánk villamos energia igényeit [13]. Aki tisztában van az erőmű felépítésével beláthatja, hogy korábbi atomerőmű-balesetekhez hasonló kockázat nincs hazánkban, mégis a megkérdezettek 4%-a az erőmű kiiktatását javasolná. Ezzel szemben 60% az eredetileg tervezett üzemidőt is meghosszabbítaná a megfelelő műszaki-, biztonsági- és gazdasági feltételek teljesülése esetén. Az eredmény azt tükrözi, hogy a legtöbben nem látnak potenciális veszélyt az atomenergia alkalmazásában, belátják, hogy nagymértékben biztosít villamos energiát számunkra.

13. ábra: A 14. kérdés eredményei A következő kérdés már megjelent a korábbi évek felméréseiben is, idén azonban lehetőség volt a megadott válaszok közül egynél több megjelölésére is. Ennek oka, hogy sok visszajelzést kaptam, miszerint ennél a válasznál többféle lehetőséget is el tudnak képzelni a hallgatók; az energiaigényeket nem lehet mindössze egyetlen forrásból fedezni. Akadnak olyanok, akik a megújuló energiaforrásokban látják a jövő energiáját, ez azonban jelen helyzetünkben még nem fedezhető a nem megújuló energiaforrások alkalmazása nélkül. Összességében elmondható, hogy környezettudatosan a hallgatók mindössze 10%-a állítaná elő a szükséges energiát széntartalmú energiahordozókból, 39,5% nukleáris energiából, 54% pedig a megújuló energiaforrásokat részesítené előnyben. A döntő többség (72,5%) a napenergiában látná a legnagyobb lehetőséget. Érdemes hangsúlyozni, hogy a megújuló energiák alkalmazását ugyan nehezítik a környezeti tényezők folyamatos változásai, azonban az energiaellátást kiegészítő technológiaként történő


15. ábra: A 16. kérdés eredményei Az utolsó kérdés a nukleáris erőművek által okozott környezeti problémákkal volt kapcsolatos, még ez sem képezte korábbi kutatások tárgyát. Valójában elmondható, hogy az összes válaszlehetőség megjelölhető volt, nem állapítható meg jó vagy rossz válasz, csupán kevésbé reális, vagy gyakrabban jelentkező problémákat különböztethetünk meg. Ebben az esetben is logikusan több válasz megjelölésére volt lehetőség., Legtöbben (80%) a keletkező hulladékok

5

Nukleon

2013. december

kezelésével kapcsolatos problémáktól tartanak, de közel ennyi válaszadó (76%) az emberi mulasztás miatt fennálló balesetveszélytől fél. 12% úgy gondolja, hogy nem ismerjük eléggé a technológiát, ezért bármikor bekövetkezhet a baj, azonban a technológiát megfelelően tudjuk alkalmazni, az ebből eredeztethető problémáktól közel sem kell ekkora mértékben tartanunk. Elgondolkodtató, hogy a nyersanyag korlátozott rendelkezésre állása csak 21% szerint jelent problémát, pedig köztudott, hogy a reaktorok fűtőanyagaként alkalmazott 235U izotóp csak korlátozottan áll rendelkezésünkre, a nem megújuló energiaforrások közé tartozik.

Konklúzió, javaslatok Láthattuk, hogy az egyre növekvő energiaigények fedezése többféle forrásból is biztosítható. A rendelkezésünkre álló energiahordozók folyamatos kiaknázása rövid időn belül egyre több társadalmi, gazdasági, és egyéb problémákhoz vezet, a kimerülő készletek pótlására nincs lehetőségünk. A megoldáshoz napról napra kevesebb idő állrendelkezésünkre, a környezetet veszélyeztető hatások gyorsulnak. Vajon meddig bírja a jelenlegi állapotot a természet? Az erőművek létesítésénél törekedni kell arra, hogy azok a környezetre minél kisebb negatív hatást gyakoroljanak. Az erőművek működéséhez szükséges erőforrásokat a természetből vesszük, ezáltal energiát nyerünk, de természetes környezetünket az üzemeltetés során keletkező szennyező anyagokkal károsítjuk. A fenntarthatóság érdekében a környezetet károsító folyamatok mérséklése, a fosszilis erőművek számának csökkentése, valamint új fejlődés ösztönzése kellene, hogy cél legyen. Lényeges szempont ebben, hogy az energetika jelentőségét minél többen felismerjék, a társadalom támogassa az

energetikai fejlesztéseket, technológiák felé.

VI. évf. (2013) 149 és nyitott

legyen az újabb

Az atomenergiával kapcsolatos felmérésből láthattuk, hogy sokan nem rendelkeznek elegendő ismerettel, sőt tévesen ítélik meg a fennálló problémákat. Ebből a kutatásból kiderült, hogy van értelme a környezettudományi képzéseknek, hogy olyan szakemberekkel gazdagodjon a világ, akik ismerik napjaink környezeti problémáit, és aktívan képesek cselekedni egy szebb és egészségesebb élet reményében. Láthattuk, hogy a néhány évvel ezelőtti felmérések közel hasonló eredményeket adtak, azonban újabb és újabb kérdésekkel lehetne még bővíteni a kérdőíveket, ezáltal újabb tévhitek eloszlatására adódhatna lehetőségünk. Valóban fontos lenne már a középiskolákban megismertetni a gyerekeket Földünk jelenlegi állapotával, felhívni a figyelmet, hogy minden egyes ember tehet valami érdemlegeset a természet megóvásáért. Azonban sokan sajnos már ebben a korban elidegenednek a természettudományoktól. A probléma véleményem szerint több gyakorlati példa tanórába való beemelésével orvosolható lenne, nem a képletek bemagolására, a definíciók szóról szóra való visszamondására kellene koncentrálni, hanem minél több kísérlettel érdekesebben és színesebben prezentálható lehetne a tananyag. Továbbá pár napos táborok alkalmával a városban nevelkedő gyerekek is eltölthetnének némi időt a természetvédelmi értékek (növénytani, állattani, földtani, víztani, tájképi és kultúrtörténeti értékek) megismerésével. Fontos volna tehát inkább a környezettudatos magatartásra nevelés, az emberiség figyelmének felkeltése, hogy minél többen tudomást vegyenek a környezetünket érintő problémákról, és hogy a jövőben a fenntartható fejlődés valóban fenntartható legyen.


Radnóti Katalin: Milyen Magyarországon a tizenévesek atomenergiához való viszonya? Egy felmérés eredményeinek áttekintése. In: Fizikai Szemle 1988/4. 157-160. o.

[2]

Radnóti Katalin: Az atomenergia megítélése és a természettudományos tanárképzés. In: Iskolakultúra. VI. évfolyam. 1996/4. 65-76.o.

[3]

Radnóti Katalin: Az atomenergia megítélése a fiatalok körében http://members.iif.hu/rad8012/atomfizika/TOTO-kiertekeles.doc (letöltési idő: 2013. 03. 17.) http://mnt.kfki.hu/Nukleon/download.php?file=Nukleon1_1_Radnoti.pdf (letöltési idő: 2013. 03. 17.)

[4]

Horváth András: A atomenergia megítélése a fiatalok körében. In: Nukleon. IV. évfolyam. 2011. május http://mnt.kfki.hu/Nukleon/download.php?file=Nukleon_4_2_91_Horv%E1th.pdf (letöltési idő: 2013. 03. 17.)

[5]

Zöld Andrea: A magfizika tanításának hatékonysága. In: Nukleon VI. évfolyam. 2013. május http://mnt.kfki.hu/Nukleon/download.php?file=Nukleon_6_2_139_Zold.pdf (letöltési idő: 2013. 07. 20.)

[6]

Szatmáry Zoltán – Aszódi Attila 2005: Csernobil, tények, okok, hiedelmek. – Typotex Kiadó, Budapest

[7]

Barkács Katalin–Bartholy Judit–Kiss Keve Tihamér–Pongrácz Rita–Reskóné Nagy Mária–Salma Imre–Sohár Pálné–Tóth Bence 2012: Környezetkémia.–Typotex Kiadó, Budapest. pp. 106-141.

[8]

www.seai.ie

[9]

Vajda György 2001: Energiapolitika. – Magyar Tudományos Akadémia, Budapest

[10]

Kiss Ádám – Tasnádi Péter 2012: Környezetfizika. – Typotex kiadó, Budapest

[11]

Rakonczai János 2003: Globális környezeti problémák. – Lazi Könyvkiadó Kft., Budapest

[12]

http://iea.org/

[13]

Kovács András – Lung Attila. 2004: A Paksi Atomerőmű szerepe Magyarország villamos energia ellátásában. – Elektrotechnika 97. évfolyam 7-8. szám pp. 204-206. http://www.omikk.bme.hu:8080/cikkadat/bitstream/123456789/874/1/2004.08bol2.pdf (letöltési idő:2013. 03. 17.)


6

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 150

A pozitronemissziós tomográfia (PET) elvi alapjai és feldolgozási lehetőségei a középiskolában I. rész Nagy Mária, Zsámberger Noémi Kinga, Pávó Gyula Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar 1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A.

Minden témakör megmutatható és megfoghatóvá tehető középiskolás diákok számára, ha megfelelő eszközökkel, ideális módon dolgozzuk fel a kérdést. A magfizika egyik érdekes témaköre az elektron és a pozitron annihilációja. Egy plüssmackón demonstrálható az ide kapcsolódó fontos effektus, mely a pozitronemissziós tomográfia (PET) elvi alapja. A Nukleáris Tábor résztvevői minden évben az ELTE TTK-n tett látogatásaik alkalmával elvégeznek egy ezzel kapcsolatos demonstrációs mérést. Jelen írásunkban ennek a mérésnek a fakultációs órák keretében való feldolgozási lehetőségét mutatjuk be a konkrét mérési adatok segítségével. Kétrészes cikkünk első részében az elvi alapokat mutatjuk be, míg a másodikban magát a konkrét mérést, a mérési eredmények kiértékelésével együtt.

Miért fontos és hasznos az elektronpozitron annihiláció? Az elektron- pozitron annihiláció fontos alkalmazási területe az orvostudomány, ezen belül a pozitronemissziós tomográfia (PET). Ekkor a motiváció az, hogy egzaktul fel tudják térképezni a daganatokat, tumorokat, azaz a biológiailag aktív területeket, s elő tudják állítani ezek 2 vagy 3 dimenziós képét operáció elvégzése híján is. A diagnózis felállítása és a kezelés megtervezése e nélkül nem lehetséges. 1975-ben Michael E. Phelps (1. ábra) fejlesztette ki ezt az egyik jelenleg legmodernebb funkcionális képalkotó eljárást.

okoznak módosulatot (ezt követi szekunder módon anatómiai elváltozás), tehát lehetőség nyílik idejekorán rátalálni a problémára. A PET technikát gyakran más diagnosztikai módszerekkel együtt alkalmazzák. Például elterjedt a PET és az egyszerű röntgen-képek vagy az ultrahang együttes használata. A PET-tel és CT-vel (számítógépes röntgen tomográfia) alkotott komplex berendezés jelenti a képalkotó diagnosztika egyik legfejlettebb szisztémáját; ekkor a funkcionális- és anatómiai elváltozások egyszerre láthatók, s megfigyelhetően egymással konzekvens helyeken vannak, így együttesen alkalmazva a módosulatok helye egzaktabbul meghatározható. A kétféle 3 dimenziós képet adó diagnosztikai eljárás egyszerre, egy időben is végezhető. A PET-et MRI-vel is kombinálják, ez az eszköz a gerinc, az agy és a fej feltérképezésére alkalmazható nagy mágneses mezőben (9,4 T). A PET vizsgálatot járóbetegeken hatják végre, elsősorban onkológiai (85-90%) és kisebb arányban neuropszichiátriai (5-10%) vagy kardiológiai (5%) problémák után kutatva. Kardiológiai vizsgálatoknál a PET-tel tudják eldönteni, hogy már műtéttel sem helyreállítható, maradandó károsodás jött-e létre a szívizomban, vagy orvosolható a probléma.

1. ábra: Michael E. Phelps [1] Funkcionális képalkotáson azt értjük, hogy nem anatómiai viszonyok jelennek meg a képen, hanem működésbeli tulajdonságok, pl. glükóz anyagcsere (a beteg sejtek több cukrot vesznek fel), oxigén felhasználás vagy véráramlás. Azért hasznos ez az eljárás, mert a betegségekről ismert, hogy először a szövetek és szervek funkcionális tényezőiben


Neuropszichiátriában a PET segítségével megtörténhet az epilepsziás fókusz kimutatása és lokalizálása a gyógyszeres kezelésre nem reagáló, műthető fiatal páciensek esetében, illetve az Alzheimer-kór felismerése. Neuropszichológiában is alkalmazzák annak megállapítására, hogy milyen kapcsolat figyelhető meg az agyi aktivitás és a speciális pszichológiai folyamatok, betegségek között; ez a diagnosztikában jelentős szerepet tölt be. [2] Az említetteken kívül a gyógyszeriparban is jelentős szerepe van a PET-nek a „kisállat-PET” tudományág keretében; sokszor PET-tel elemzik a kisállatokon végzett gyógyszer-



Nukleon

2013. december

teszteket is. Ezáltal lényegesen csökkenhetett a feláldozott élőlények száma, hiszen a gyógyszerek hatását nem patológiai vizsgálatok keretében kell kiértékelni, és egy állatot többször is vizsgálat alá vethetnek.

VI. évf. (2013) 150

Kísérleti úton 1932-ben Carl D. Anderson (3. ábra) detektálta először a részecskét, mikor mágneses térbe helyezett ködkamrával vizsgálta a kozmikus sugárzást.

A leírtak mellett az ismeretlen eredetű láz diagnosztikájában is használják a PET berendezést. A legnagyobb arányban pedig az onkológiai tumordiagnosztikában fontos; lehetővé teszi a kis kiterjedésű tumorszövetek helyének nagy pontosságú meghatározását.

Mi a pozitron? A pozitron elemi részecske, az elektron antirészecskéje. Tudjuk, hogy bennünket és környezetünket (hétköznapi tárgyakat) zömmel protonok, neutronok és az ezekből álló atommagok körül keringő elektronok alkotják. Az előbbi kettő nem elemi részecske, hanem u (up) és d (down) kvarkokból állnak, amik már elemi részecskék. Az elektron is elemi részecske. A részecskéknek léteznek „tükörképeik”, az antirészecskéik. Ahogy a tükörképeknek, úgy az antirészecskéknek és a részecske-párjuknak megegyezik a legtöbb adata, pl. a tömege és élettartama. Viszont töltés jellegű tulajdonságaik, azaz töltésük, mágneses momentumuk és egyéb kvantumjellemzőik (spin, paritás, hipertöltés, izospin) ellentétesek (nagyságuk megegyezik, csak annak előjele eltérő) [3]. Az u és d kvark esetében az antirészecskéjük az anti-u kvark és az anti-d kvark; belőlük épül fel az antiproton és antineutron. Az elektron antirészecskéje az antielektron, amit inkább pozitronnak neveznek. A korábbiak szerint töltése az elektronéval ellentétes előjelű, azzal megegyező nagyságú, tehát értéke az elemi töltés abszolút értéke; ennek pozitív mivoltából származik a POZItron elnevezés. „A természetben az antianyag (így a pozitron) a természetes és mesterséges radioaktivitás során (pozitív β–bomlás), illetve a nagy energiájú kozmikus sugárzás részecskei által a légkörben keltett részecskezáporokban keletkezhet. A β+– bomlás során felszabaduló, jól meghatározott energiát a neutrínó és a pozitron közösen viszik el, véletlenszerű arányban. Ezért a bomlásban keletkezett pozitron energiája nem lesz egy élesen meghatározott érték, a spektrum folyamatos, de van egy felső korlátja. A maximális pozitronenergia általában nagyságrendileg 100 000 eV körül van.” [4] A pozitron a leptonok közé tartozik, azaz olyan elemi részecske, ami nem vesz részt az erős kölcsönhatásban (=az a magerő, mely összetartja az atomok protonjait, neutronjait és azok kvarkjait). 1928-ban P. A. M. Dirac (2. ábra) tételezte fel a pozitron létét elméleti következtetések alapján.

3. ábra: Carl D. Anderson [6] A két tudós Nobel-díjat kapott munkájáért. Az áttörő felfedezést követő évben az elektron-pozitron annihiláció kimutatása is eredményes volt.

Mi az elektron-pozitron annihiláció? Az elektron-pozitron annihiláció lényege, hogy mikor egy részecske és antirészecskéje „találkozik”, az ütközés során megsemmisíthetik egymást, azaz annihilálódhatnak. Az energiamegmaradás (összenergia állandó) és az impulzusmegmaradás (teljes impulzus állandó) érvényes az annihiláció folyamata során. Egy álló elektron-pozitron pár összenergiája1 2mec2, mely nagy energiájú fotonok2 (gammafotonok) energiájává szóródik szét az annihiláció közben. Analógia elektromosságtanból: A félvezetőkben szabadon mozgó negatív elektronok és effektíven pozitív „lyukak” találhatók. Mikor ezek „találkoznak”, az elektron be tud ugrani a „lyukba”, s ez által a két töltéshordozó „megsemmisíti” egymást. Az eredeti állapot visszaállítható energiabefektetés árán. Részecske - antirészecske annihilációkor is hasonló jelenség megy végbe (elektronok = elektronok, pozitronok = „lyukak”). Tudjuk, hogy a részecskefizikai „vákuum” nem teljesen üres, de nincs elegendő energia benne, hogy szabad részecskeantirészecske párok jöjjenek létre. („Vákuumon” itt a kvantummechanikai alapállapotot értjük, mely a legalacsonyabb energetikai állapot.) Az ún. „vákuumfluktuáció” azonban lehetséges a határozatlansági reláció miatt; azaz előfordulhat, hogy rövid időre kialakuljanak ilyen részecske-antirészecske párok, de permanensen nem tudnak megmaradni, rögtön annihilálódni fognak a befektetett energia hiánya miatt, és visszaáll a „vákuumállapot”, ahol nincs szabad elektron és pozitron. Az eredeti állapot visszaállítható megfelelő energiabefektetés árán (az elektromosságtani analógia esetéhez hasonlóan), azaz a

1

2

2. ábra: P. A. M. Dirac [5]


Egy álló (kis sebességű) elektron energiája = egy álló (kis sebességű) pozitron energiája = mec2, ezek összege: mec2+ mec2 = 2mec2. Fényrészecskék, az elektromágneses sugárzás kvantumjai (adagjai).

2

Nukleon

2013. december

„vákuumból” kipolarizálható egy elektron-pozitron pár. Nagy energiájú gyorsítókban olyan nagy energiával ütköznek a felgyorsított részecskék, hogy a részecskefizikai „vákuumból” több száz részecske-antirészecske pár is keletkezhet. Ez az egész koncepció szemléltethető mindennapi analógiával: Olyan, mintha lenne egy részecskékből és antirészecskékből álló, azok tartós „elvegyüléséhez” szükségeltetően nem elég magas energiájú „tenger”. Ebben többek között a pozitronok találhatók. Legyenek a pozitronok olyan „lyukak” a „tengerben”, amely helyekre pillanatnyilag nem folyt be a „víz”, mondjuk „levegőbuborékok”. Azonban ezekbe a „lyukakba” időlegesen belefolyhat a „víz”, amikor átfolyik rajtuk, és átlyukasztja e „buborékokat”; ekkor viszont meg is semmisülnek ezek a „vízlyukak”/ „buborékok”. Az egész folyamat pedig nagyon gyors ingadozást (fluktuáció) jelent. Ha megfelelő energiát fektetünk be, akkor a folytonos „tengerből” kikanalazhatunk egy „csepp vizet”, ekkor annak helyén „vízlyuk” lesz, azaz „levegőbuborék” keletkezik (hiszen levegőt juttatunk a vízbe, ahogy belekanalazunk). Tehát a „tengerből” kikanalazható egy „vízcsepplevegőbuborék” pár. Tehát tudunk részecske-antirészecske párokat gyártani. A korábbiak alapján ismert, hogy a részecskék és antirészecskéik élettartama megegyezik. Ám az elektronpozitron esetében a gyakorlatban mégsem ezt tapasztaljuk: A pozitron élettartama csak tökéletes vákuum esetében (azaz csak elméletben) egyezik meg az elektron végtelen ideig tartó élettartamával. A tapasztalt eltérés oka az, hogy a pozitron valamilyen anyagon belül nagyon kis idő alatt is annihilálódik. Ez sokszor már a sugárforrásban vagy annak burkolatában megtörténik; ám az annihiláció csak akkor valószínű, ha kis relatív sebességű elektron és pozitron „találkozik”. Emiatt annihiláció előtt elektromos töltése miatt a pozitron egy nagyon gyors folyamatban (10-12 sec alatt) lelassul és termalizálódik, hiszen energiát veszít az anyagon belüli ionizációval és az atomi elektronok gerjesztésével. Az effektus ideje alatt a sugárforrást körülvevő anyagba (sejtek, testszövet) a pozitronok tipikusan 0,1 mm mélységig jutnak (mely konzekvens azzal, hogy – a tényleges jelenség – a PET vizsgálat során a szervezetbe jutott pozitronok 1 mmnél kisebb szövetekben megtett útjuk után "találkoznak" a testszövetek elektronjaival; a PET vizsgálat menete a cikk végén olvasható). Az elektron-pozitron annihiláció alatt leggyakrabban 2 foton keletkezik. Vákuumban, idealizált kép esetében, mikor nagyon kis sebességű elektron és pozitron annihilációjáról beszélünk, a kezdeti összimpulzus nulla (nagyon kicsi), az összenergia pedig 2mec2=2×511 keV = 1022 keV. A korábbiak szerint érvényes az energiamegmaradás és az impulzusmegmaradás törvénye. Utóbbi miatt nem tud vákuum esetében csak 1 foton keletkezni.

VI. évf. (2013) 150

természeti törvénnyel szemben. Ezért van szükség második fotonra is. Idealizált esetben kétfotonos annihilációnál a 2 foton pontosan ellentétesen, egymással 180°-os szöget bezárva sugárzódik ki, és energiájuk egyenként 511 keV, impulzusuk is egyenlő nagyságú, de ellentétes irányú (így összegük egyenlő a kezdeti zérus értékkel). Nem idealizált esetben tetszőleges, de relatívan kicsi sebességű elektron-pozitron pár annihilálódik. Ekkor szintén teljesülnek a keletkező fotonok számára vonatkozó előbbiek (hiszen csak egyenletesen mozgó koordináta-rendszerbe tértünk át az álló helyett, a keletkező fotonok száma pedig Galilei-transzformációra3 invariáns). Megjegyzés: A most leírtak alapvetően vákuum esetén érvényesek, de közelítőleg anyagokban is teljesülnek. Ekkor viszont az impulzusmegmaradás úgy is érvényes marad, ha nem egy második foton szóródik az első mellett, hanem egy közelben elhelyezkedő atommag viszi el arányosan a végső impulzus ellentétes irányú komponensét. Az ekkori ritka esetben megvalósulhat 1 fotonos annihiláció. Előfordulhat 3 fotonos annihiláció is. A legvalószínűbb a 2 fotonos annihiláció. További megjegyzés: Mivel nem létezik szabad álló elektron, ezért a valóságban nem álló, hanem az atomban nagy sebességgel mozgó elektronnal megy végbe az annihiláció. Emiatt az elektron-pozitron rendszer kezdeti impulzusának értéke zérus helyett kis szám. Így az annihiláció után szóródó 2 foton a legtöbb esetben nem pontosan 180°-os szöget zár be egymással. De tudjuk azt, hogy ez a θ szögeltérés csak 1-2 miliradiános, ami elhanyagolható. Az eltérés szögét, ha akarnánk, sem tudnánk mi meghatározni, mert ahhoz nagy távolságra (több m-re) kéne lennie a detektoroknak, amihez nagyon nagy aktivitású sugárforrás is szükséges. A θ szög arról hordoz adatot, hogy milyen az elektron-sebességeloszlás a mintában, mely a modern szilárdtestfizikai vizsgálati módszereknél, pozitronemissziós részecskekövetésnél kap jelentőséget.[7] Anyagvizsgálat során főként 22Na, 58Co és 64Cu izotópot alkalmaznak, ezek β+–bomló izotópok. A 2 szóródó foton szöge akkor lesz ténylegesen egzaktul 180°, ha az elektron kezdeti impulzusa éppen a később kisugárzott fotonok egyenesébe esik (a fotonok energiája ekkor is kissé eltér az elméleti 511 keV-től, mi az energiakülönbséget sem tudjuk mérni, ez szintén a szilárdtestfizikában kap szerepet). Az annihiláció folyamatának szemléltetése a 4. ábrán szerepel.

Ellentmondás az impulzusmegmaradással szemben 1 fotonos annihilációnál: A kisugárzódó 1 fotonnak az energiamegmaradás szerint 1022 keV energiája lenne, s egy bizonyos irányba távozna. A foton impulzusa pedig arányos annak energiájával. A teljes rendszer összimpulzusára igaz az impulzusmegmaradás, DE a vázolt esetben a végső impulzus nem a kezdeti zérus lenne az annihiláció után, hanem értéke nagy lenne (1022 keV/c), és a foton irányába mutatna, azaz ellentmondáshoz jutottunk egy


4. ábra: Az annihiláció folyamatának szemléltetése [8]

3

Egyenes vonalú egyenletesen mozgó koordináta-rendszerek közti áttérés (beleértve azt, amikor állóból térünk át egyenletesen mozgó koordináta-rendszerbe).

3

Nukleon

2013. december

Az annihiláció folyamatának leírása (a 4. ábra magyarázata): 22Na

1.) A sugárforrás a izotóp. A PET mérés bemutatásakor – a diagnosztikai eljárásoktól különbözően – 22Na-t használunk. Ez is pozitronbomló, de a felezési ideje nagyobb, mint 2,6 év. 2.) A forrásból pozitronok lépnek ki. 3.) A pozitronok a téglalappal jelölt anyagba lépve már nem úgy mozognak, mintha vákuumban haladnának, lelassulnak. És lassulva még kb. 0,1 m utat tesznek meg diffúzióval. 4.) Ez után egy-egy elektronnal bekövetkezik az annihiláció.

„találkoznak”,

és

VI. évf. (2013) 150

A módosított cukor minden fokozott cukorfelvételt mutató (fokozott glukotikus aktivitású/ glükóz-metabolizmusú) sejtbe bekerülhet, s ott időzhet a fluor atommag elbomlásáig; ezek a sejtek kiváltképp az agy-, a szív-, a máj-, és a legtöbb tumorsejt, valamint a granulociták és limfociták. A 18F ciklotronok (kis energiájú részecskegyorsítók) magreakcióiban mesterségesen előállított radioaktív izotóp 110 perc felezési idővel. Az előállítás reakcióegyenlete: 18O + p → 18F + n. A folyamat során 18O atommagokkal dúsított vizet (H2O) bombáznak protonokkal, majd a reakció végtermékeként keletkező radioaktív izotópot összegyűjtik a csatoláshoz (7. és 8. ábra).

Annihiláció alatt nagymértékű energia szabadulhat fel. Nagy elektronsűrűségű anyag esetében nagy lesz az annihiláció valószínűsége és nagy lesz az intenzitása a kibocsátott gamma-sugárzásnak is. A természetben többnyire anyag, nem pedig antianyag van, emiatt nem figyelhetünk meg látványos, nagy mennyiségű és energiájú gamma-sugárzást, mely az annihilációkból eredne. „Az, hogy miért van szinte kizárólag anyag (és nem antianyag) a környezetünkben, a Világegyetem születése (Ősrobbanás) utáni anyag-antianyag aszimmetria következménye, melynek oka a modern részecskefizika egyik legfontosabb megválaszolatlan kérdése.” [4]

7. ábra: Az FDG előállítási folyamata szemléletesen

Rövid idő elteltével akkor is anyag lenne csak a Földön, ha előtte jelentős mennyiségű antianyag is megtalálható lett volna, mivel utóbbi az anyaggal érintkezve gyorsan megsemmisülne.

A pozitront emittáló izotóp beépítése biológiailag aktív molekulába Az izotópot be kell ágyazni (radioizotóp-laboratóriumokban különféle kémiai reakciók sorozatával csatolni) valamiféle biológiailag aktív molekulába (cukor, víz, vagy ammónia), hogy az a véráramba, s így idővel a vizsgálandó területre kerülve feldúsuljon. Leggyakrabban (90%-ban) C6H11FO5 (fluoro dezoxi glükóz: FDG, 2-deoxy-2-(18F)fluoro-Dglucose) molekulát alkalmaznak. Ez a glükózmolekulától abban tér el, hogy a 6. oxigénatom helyett 18F radioaktív izotópot tartalmaz (5. és 6. ábra).

5. ábra: Az FDG-molekula [8]

8. ábra: Az FDG előállítási folyamata szerkezeti képlettel ábrázolva [11] A K222 egy komplex molekula, képlete: OTf = OSO2CF3 (Tf: triflil-csoport, teljes nevén trifluormetánszulfonil-csoport, amely szulfonokban lévő funkciós csoportra vagy szubsztituensre utal). A rövid felezési idő miatt a fent ismertetett módon előállított izotópot nagyon gyorsan továbbítani kell a PET-et alkalmazó egészségügyi intézménybe; ez sokszor nehézkes lehet, ezért már ciklotronnal és miniatűr izotóp-laboratóriummal együtt telepítik a fejlett PET szerkezeteket. Az FDG szintézisét először Tatsuo Ido fedezte fel a Brookhaven National Laboratory-ban az 1970-es években. „Az anyagot először Abass Alavi vezetésével alkalmazták két önkéntesen a Pennsylvania Egyetemen 1976 augusztusában. Ekkor még közönséges (nem-PET) nukleáris szkenner segítségével mutatták ki a vegyület magas agyi koncentrációját, de a későbbiek folyamán a fluoro-deoxiglükózt alkalmazták a modern eljárásban is. A PET technika az óta is fejlődik, a Dr. Townsend és Dr. Nutt által megalkotott PET/CT szkennert a Time Magazin a 2000. év orvosi találmányának nevezte.” [2]

A PET vizsgálat menete

6. ábra: Az FDG-molekula térbeli ábrája [9]


A vizsgálat (9. ábra) első lépéseként pozitronokat emittáló rövid felezési idejű mesterségesen előállított (a rövid felezési idő miatt nem is lehetne megtalálható a természetben), felnőtteknél 200-400 MBq aktivitású radioaktív izotópot

4

Nukleon

2013. december

tartalmazó biológiailag aktív molekulát juttatnak a beteg szervezetébe.

VI. évf. (2013) 150

lebomlási folyamat első szakaszában az élő sejtekbe jut. A jó nyomjelző-háttér arány az ez-utáni várakozási időben fog kialakulni. És a nyomjelző a vesén keresztül fog kiürülni a szervezetből (mert az a glükózzal ellentétben ezt nem képes reabszorbeálni). Az FDG tumorba történő felvétele függ a tumor növekedésétől és életképességétől. Egy skálán 1 és 5 közötti értékre osztják be a dúsulások intenzitását a mediasztinális vértartalom (MBP) és a máj aktivitásához viszonyítva, ahol a 4-5 szintű esetek jelentik a beteg sejtek jelenlétét: 1.) Nincs fokozott FDG felvétel 2.) Az FDG felvétel a MBP aktivitásával egyenlő vagy kisebb 3.) Az FDG felvétel a MBP aktivitását meghaladja, de a májét nem 4.) Az FDG felvétel a májaktivitást meghaladja

9. ábra: PET vizsgálat [2] A vizsgálat második lépéseként megfelelő idővel (kb. 1 óra) az izotóp bejuttatását követően a beteget a PET berendezésbe helyezik. Itt következik be a pozitronok annihilációjának detektálása. Tömören ismertetve a korábban szereplők szerint (3. oldal): a pozitronok 1 mm-nél rövidebb út megtétele után a testszövetekben, sejtekben lévő elektronokkal „találkoznak”, s így 2 egymással majdnem pontosan 180°-os szöget bezáró 511 keV energiájú foton keletkezik. A létrejövő fotonok nagy valószínűséggel tudnak energiaveszteség nélkül haladni a testszövetekben, s eljutni a pácienst körülvevő detektorba. Detektorként szcintillációs detektort vagy fotodiódát alkalmaznak. A kezdeti PET-ek egy detektor-gyűrűből álltak, a korszerű gépek azonban már sok gyűrűből összetett hengerek. Megjegyzendő, hogy a PET használatában problematikus pont, hogy alkalmazása sokkal drágább egy hagyományos CT-nél vagy MRI-nél, emiatt elérhetőségét a hozzá kötődő technika árának leszorítása határozza meg. A vizsgálat harmadik lépése a PET felvételek diagnosztikai kiértékelése, melynek alapja a 18F-FDG metabolizmusa. A cukor analóg 18F-FDG a normális glükóz felvételi és

5.) Az FDG felvétel a májaktivitást jelentősen meghaladja és/vagy új lézió jelenik meg [12] Az FDG használata azért is előnyös, mert a készítmény használata nem jár semmilyen mellékhatással a radioaktív izotóp által leadott sugárdózison kívül. A jelzett anyagra is csak sokkal a farmakológiai hatást kiváltó koncentráció alatt, csekély mértékben van szükség, mivel a radioaktív nyomjelző molekula rendelkezésre áll hordozómentes formában. Emellett érvényesek a PET vizsgálatra igaz előnyök, azaz manuális beavatkozás nélkül történik a diagnózis, megfelelően elkészített algoritmus alapján programozható logikai vezérlő irányítja a folyamatot. „Jelenleg kellő mennyiségű bizonyíték áll rendelkezésre ahhoz, hogy az 18F-FDG-PET alkalmazása egyre szélesebb körűvé váljon a malignitásra gyanús betegek diagnosztikai vizsgálatában, a daganat stádium beosztásában és a kezelés monitorozásában.” [13] Neurológiai diagnosztikában használatos a 15O izotóp is a 18F helyett. Az elektron-pozitron annihiláció jelentős megnyilvánulását jól demonstráló mérőkísérlet a PET-mackós laboratóriumi 22Na gyakorlat, melyben izotópot alkalmaztunk. A későbbiekben ennek elvi alapjaival és mérési jegyzőkönyv alapján történő feldolgozásával foglalkozunk.


2009 Doc Morris Public lecture - http://www.physics.sdsu.edu/docmorris/2009/phelps.html

[2]

Wikipédia: Pozitronemissziós tomográfia - http://hu.wikipedia.org/wiki/Pozitronemisszi%C3%B3s_tomogr%C3%A1fia

[3]

Pozitronannihilációs spektroszkópia - http://www.chem.elte.hu/departments/magkem/hun/oktatas/magkemlab/leirasok_pdf/PAS-MagkemBSc_BW.pdf

[4]

Pávó Gyula, Veres Gábor: PET–Pozitron annihiláció vizsgálata, Modern Fizika Labor, mérésleírás - http://wigner.elte.hu/koltai/labor/parts/21pet.pdf

[5]

Photos of Dirac, Paul - http://quotationsbook.com/assets/shared/img/2051/Diracb.jpg

[6]

Wikipédia: Carl D. Anderson - http://sv.wikipedia.org/wiki/Carl_D._Anderson

[7]

University of Birmingham Nuclear Physisc Research Group: Positron Emission Particle Tracking - http://www.np.ph.bham.ac.uk/pic/pept

[8]

Wikipedia: Fludeoxyglucose (18F) - http://en.wikipedia.org/wiki/File:Fludeoxyglucose_18-F_skeletal.svg

[9]

PET.hu: Az alkalmazott radiofarmakonról - http://www.pet.hu/magyar/felso_menu/orvosoknak/pet/ct/az_alkalmazott_radiofarmakonrol.html

[10]

Tudományos és Köznyelvi Szavak Magyar Értelmező Szótára: interleukin (IL) - http://meszotar.hu/keres-interleukin

[11]

Production & Synthesis of Radionuclides - https://wiki.engr.illinois.edu/pages/viewpage.action?pageId=49744271

[12]

Dr. Györke Tamás: Az FDG PET vizsgálat malignus betegségekben, különös tekintettel prognosztikai szerepére lymphomák esetén) http://phd.sote.hu/mwp/phd_live/vedes/export/gyorketamas.m.pdf

[13]

18F-FDG-PET tumor leképzés – módszertani útmutató, Fordította: Galuska László és Varga József http://www.nmc.dote.hu/nmszk/NMSZK_modszertan/3_7_FDG_PET_tu.pdf


5

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 151

A pozitronemissziós tomográfia (PET) elvi alapjai és feldolgozási lehetőségei a középiskolában II. rész Zsámberger Noémi Kinga, Nagy Mária, Pávó Gyula Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar 1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A.

Írásunk első részében az elektron-pozitron annihiláció elvi alapjait mutattuk be. Jelen második részben egy konkrét mérés leírását adjuk közre a mérési adatokkal és a kiértékeléssel együtt. A mérési összeállítást Veres Gábor egyetemi adjunktus és Csorba Ottó mérnök-oktató készítette.

A mérés elvi alapjai A PET vizsgálat modellezhető egy viszonylag egyszerű, legalábbis könnyen áttekinthető kísérlet keretében (1. ábra): egy plüssmackót helyezünk egy átlátszó plexi dobozban két detektor közé, amelyekkel majd az elektron-pozitron annihiláció során keletkező adott energiájú gamma-fotonokat észleljük.

1. ábra: A mérési elrendezés A „páciens” ereibe fecskendezett és daganatában felgyülemlett jelzőanyagot egy, a mérésvezető által előzetesen a mackó ruhájába rejtett pozitív béta-bomló sugárforrással helyettesítjük. Igaz, hogy ezen elrendezésben csak két dimenzióban tudunk vizsgálódni, de a hasonló módon felépülő, csak több detektáló egységből álló mérőberendezés működési elve ezáltal könnyen szemléltethető. Az ábrán tőlünk távolabb lévő detektor helyzete nem változik, a közelebbi a mackóból nézve, a másik detektorhoz képest 140 – 220 fokos szögben elmozdítható. A két detektor közötti egyenes így végigpásztázza a mackót. A mozgó detektort ötöt fokkal el-elmozdítva egymás után több, azonos időtartamú mérést végezve feltérképezhetjük a „daganat” elhelyezkedését. Ugyanis a sugárforrásból kiinduló, 180°-os szögben, azaz egymással ellentétes irányban haladó fotonpárokat tudunk velük keresni; ezáltal megállapíthatjuk, hogy milyen


egyenes mentén rejtőzik a fotonok közös kiindulási pontja. Ehhez mérjük mindkét detektorban a beütések számát különkülön is, de ami a legfontosabb, a koincidenciában történő beütések számát figyeljük. (Koincidencia alatt azt értjük, hogy a két érzékelt foton „szinte egyszerre” (jelen esetben fél mikroszekundumon belül) érkezik a két detektorba, hiszen egyazon elektron-pozitron pár annihilációja során, egy időben keletkeztek, s a fénysebességgel haladó részecskék számára eltörpülő távolságot kellett csupán megtenniük.) A koincidenciában adott idő alatt megszámlált eseményeket grafikonon ábrázoljuk a két detektor szögének függvényében, így szemléletessé téve a beütések számának eloszlását. A mozgó detektort végül visszaállítjuk abba a szögbe, amelyben a legtöbb, koincidenciában történő beütést mértük, és a plüssállat felett elhelyezett fóliára rajzolt ún. válaszegyenes mentén összekötjük a két detektort. Ebből már tudjuk, hogy a daganat vagy daganatok mely vonalban helyezkedik (helyezkednek) el (3. ábra). A pontos helymeghatározáshoz ez azonban még nem elegendő. Ha mérni tudnánk az egyes detektált fotonpárok beérkezése közti időkülönbséget, akkor az annihiláció bekövetkezésének pontos helyét is azonnal megtudnánk – ezt az információt azonban a mi elrendezésünk nem, csupán a legmodernebb PET-berendezések képesek megadni. Nekünk ezért újabb mérésre van szükségünk, mégpedig úgy, hogy a macit tartalmazó plexi dobozt függőleges tengelye körül körülbelül 90°-kal elforgatjuk. A mozgó detektor ismételt pásztázásával és a maximum bejelölését megismételve újabb válaszegyenest rajzolunk be a fóliára. Erre az egyenesre is – akárcsak az előzőre – igaz, hogy az annihiláció valahol az egyenes mentén következett be. Mivel a két egyenes a mérési pontosságon belül metszi egymást, akkor, ha csak egy darab pontszerű sugárforrásunk van, a metszéspont ennek helyét már ki is jelöli. A bemutatott mérés során azonban a valóságot jobban közelítve két, különböző aktivitású és elhelyezésű sugárforrást alkalmazunk. Ez megfelel annak a problémának, ha egy daganatot és annak egy áttétjét kell megtalálnunk a beteg szervezetében. Ekkor nem egy, hanem



Nukleon

2013. december

rögtön két, különböző magasságú csúcs rajzolódik ki a beütésekből. (6. ábra) Ekkor mindkét csúcsnak megfelelő szögnél elhelyezett végponttal rajzolunk egy-egy válaszegyenest, így összesen két metszésponthoz jutunk. Hogy tovább pontosítsuk a mérést és mindkét sugárforrás helyzetét pontosan meghatározzuk, egy harmadik mérést is végzünk, a macit ismét úgy elforgatva, hogy a harmadik válaszegyenes – ha nem is megy át a két, előbb keletkezett metszésponton–, hegyesszögű háromszöget (hibaháromszög) alkosson a két előző válaszegyenessel. A beütés-szögállás grafikonon ismét két csúcsot fogunk kapni, és ismét mindkét válaszegyenest berajzoljuk a fóliára. Így végeredményben két, kis területű háromszöget kapunk, amelyek kijelölik a „daganatok” helyzetét. A valóságban nem pontszerű, hanem kiterjedt daganatokat kell megtalálni, amelyek a szervezetben nem „üres” háttér előtti pontszerű forrásokként, hanem egy izotóp-kontinuumban fellelhető koncentráció-növekedésekként jelennek meg. Ezek keresése során a beteget képzeletbeli cellákra osztják. Rengeteg mérés alapján, a cellákon átmenő válaszegyenesek számából következtetnek a térbeli eloszlásra. A pontosságot költségkímélőbb módon a mérési idő vagy a beadott izotóp mennyiségének növelésével lehet javítani (a detektorok méretének csökkentése, illetve számának növelése erősen megdrágítja a PETberendezéseket). A speciális szoftver segítségével kiértékelt adatokat korrigálni kell a háttérsugárzásra, a detektorok holtidejére és az esetleg a testen belül kölcsönható fotonokra, amelyek nem érik el a detektorokat. Míg korai PETberendezések egyetlen detektor-gyűrűből álltak, modern társaik már sok gyűrűből összetett hengerek. Ezekkel kétféle lehetőség adódik a háromdimenziós képalkotásra. Kezelhetik külön-külön az emberi testnek az egyes gyűrűkbe eső képzeletbeli szeleteit, és összerakhatják ebből a térbeli modellt. A másik, érzékenyebb, de egyben számításigényesebb alternatíva, hogy eleve a teljes testtel foglalkoznak, és megengedik a különböző gyűrűk detektorai közötti koincidenciákat is. [1] A plüss figura körvonalait is berajzolva a fóliára, tartósan rögzíthetjük eredményünket, és könnyebben beazonosíthatjuk a „szerveket”, amelyekben a „daganat” és az „áttét” keletkezett. A kísérlet közben szerkesztett grafikonokon kirajzolódó csúcsok területének egymáshoz viszonyított arányából következtethetünk arra is, melyik sugárforrás jelzi az eredeti daganatot (nagyobb csúcs), és melyik a frissebb (kisebb aktivitású) áttétet (kisebb csúcs).

A mérés kiértékelése Eszközök A mérés során szcintillációs detektor(oka)t használunk. Itt egy szcintillátor kristályban kelt a foton egy energiájával arányos felvillanást. Ez a hozzá csatlakoztatott fotoelektronsokszorozóban végül is az eredeti foton energiájával arányos feszültségimpulzust bocsát ki. A minket érdeklő impulzusokat egy ablak-komparátorral (differenciál diszkriminátor, DD) választjuk ki. Az egyes detektorokon észlelt beütések számát külön-külön is feljegyezzük, emellett viszont mérni kell a koincidenciában történt beütések számát is. Ezeket, illetve hogy mely szögállásnál mértük azokat, számítógép segítségével rögzíthetjük egy táblázatban. Végül a válaszegyenesek behúzásához és a plüssjáték körvonalának megrajzolásához a plexi dobozra helyezett fóliát, filctollat és vonalzót használunk.


VI. évf. (2013) 151

Mérés menete A bemutatás alkalmával (de a laborgyakorlaton is) a mérésvezető már előre elhelyezte a sugárforrásokat (a plüssmaci ruházata alá rejtve), és beállította a lezárt plexi dobozt az első mérési pozícióba. A szögmérés megkezdése előtt ellenőrizni kell, hogy a műszerek beállításai alapján a megfelelő energia-tartományban mérjünk. Ugyanis az általunk használt 22Na-izotóp bomlása során többlépcsős folyamat játszódik le (2. ábra), de minket csak a kilépő pozitron és annihilációja érdekel.

2. ábra: A nátrium-izotóp bomlása A pozitív béta-bomlás során egyrészt pozitron keletkezik, amely elektronnal találkozva annihilálódik és a bevezetőben ismertetett módon két darab, 511 keV energiájú foton keletkezik. Másrészt bomlástermékként gerjesztett állapotban lévő 22Ne atom marad vissza, amely az alapállapotba jutáshoz egy újabb fotont sugároz ki, ezúttal 1280 keV energiával. Mi csak az elektron-pozitron annihilációs folyamatra jellemző fotonokat szeretnénk detektálni, ezért az 511 keV körüli tartományban kell vizsgálódni (a műszereket az ennek megfelelő feszültség-érték körüli mérésre kell állítani). [1] A tulajdonképpeni mérést megkezdve, öt fokonként haladva pásztázunk a mozgatható detektorral és minden szögállás mellett ugyanannyi ideig (a gyakorlaton egy percig) mérjük az egyes detektorokat ért, illetve a koincidenciában történő beütések számát. Ezeket táblázatban (1. táblázat) rögzítjük. 1. táblázat Az első mérés adatai Detektorszög

Sc1

Sc2

Koincidencia

140

8205

20281

56

145

8350

20646

47

150

8360

20696

54

155

8344

20176

67

160

8527

20323

70

165

8621

20259

86

170

8790

20340

175

175

8886

20390

400

180

8932

20637

734

185

9217

20517

1035

190

9077

20284

1289

195

9488

20328

1631

200

9693

20367

1615

205

9824

20406

1171

210

10264

20187

571

215

10341

20218

195

220

10499

20267

122

2

Nukleon

2013. december

VI. évf. (2013) 151

Miután a teljes tartományon végigértünk, visszakeressük azt a szöget, amelyiknél a legtöbb koincidencia-beütést mértük: jelen esetben ez 195°. A mozgatható detektort ide visszaállítva, bejelöljük a fólia szélén a két detektor pozícióját. Az így kapott két pontot egy vonalzó segítségével összekötjük, ezzel megkapjuk az első válaszegyenesünket. Mivel az annihiláció során keletkező fotonok egymással éppen ellentétes irányban sugárzódnak szét, forrásuknak – a „daganatnak” - valahol ezen egyenes mentén kell elhelyezkednie. (A „páciens” persze nem mozdulhat el a mérés során, amíg a válaszegyenest föl nem rajzoltuk.) Ábrázoljuk (a számunkra leglényegesebb adatot,) a koincidenciában mért beütések számát a detektorok szögállásának függvényében, és kössük össze a pontokat Gnuplot (egy szabad felhasználású, ingyenesen letölthető, ugyanakkor jól használható) programmal! (3. ábra)

4. ábra:

„Sima” Gauss-görbe illesztése az első mérésnél

Próbáljunk hát e helyett két Gauss-görbe összegének megfelelő görbét illeszteni adatpontjainkra! Két Gauss-görbe összegénél a következő alakban illesztünk függvényt:

3. ábra: A koincidencia-beütések számának szögfüggése az első mérésnél Ezen az egyszerű ábrán megfigyelhető, hogy a beütésszám kicsúcsosodása nem tökéletesen töretlenül zajlik. Ebből a kis eltérésből viszont még nem feltétlenül jutna eszünkbe több „daganat” jelenlétére következtetni. Erre igazán az adatok részletesebb vizsgálata, illetve a következő két mérés eredményei adnak lehetőséget.

Jelen esetben is a várható értékeket jellemző, itt m1-gyel és m2-vel jelölt, a várható értékeket megadó paraméterek hordoznak könnyen értelmezhető információt. Külön-külön kezelve a görbe két összetevőjét, A, m1, s1, illetve B, m2, s2, tekinthetők az egyes csúcsokat jellemző paramétereknek. A csúcsok külön-külön továbbra is szimmetrikus eloszlásokat jellemeznek, így a legtöbb beütés helye (a módusz) egy-egy csúcsra ismét egybeesik az átlaggal. Azaz m1 és m2 megadják a két pontos szögállást, amelyek mellett a beütések száma maximális, tehát válaszegyeneseink pontos végpontjait (természetesen az illesztés hibáján belül). Az eredmény sokkal tetszetősebb: a görbe sokkal jobban illeszkedik (5. ábra), közelebb járunk tehát a fizikai megfigyelés helyes matematikai jellemzéséhez.

Használjuk ki, hogy a természetben számos mérhető mennyiség normális (Gauss)-eloszlást követ, és illesszünk ezúttal ugyanezekre a pontokra Gauss-görbét! A Gauss-görbét a következő alakú függvénnyel írhatjuk le:

Számunkra az A, m, s, x0 paraméterek közül az m bír majd jelentőséggel, amely a vizsgált mennyiség, jelen esetben a szögállás várható értékét jelzi. A kísérletünket felfoghatjuk úgy is, hogy egy 140-220° közötti felületen detektálunk, és keressük azt a szöget, aminél a legtöbbször mérünk koincidenciában történő beütést, azaz az egyes beütésekhez tartozó szögállások móduszát. Ez a szimmetrikus Gausseloszlás esetén megegyezik a várható értékkel. Azaz az m paraméter értéke megmutatja, a mozgatható detektornak pontosan milyen szögállásánál van a koincidencia beütések maximuma, azaz pontosan hol van a válaszegyenesünk végpontja. Szemmel láthatóan (4. ábra) a görbénk csupán igen nagy hibával követi a pontokat – a helyzet úgy tűnik, nem felel meg az eredeti, egyszerűbb várakozásnak, ami egyetlen sugárforrást feltételezne.


5. ábra: Görbeillesztés két Gauss-görbe összegeként az első mérésnél Bár azok erősen összemosódnak, hiszen egymáshoz közeli szögeknél jelentkeznek, immár felmerülhet két csúcs gondolata. Az illesztés paraméterei megadják a két csúcshoz tartozó két szögértéket is: 183,33+/-0,68°-ot és 198,62+/-0,42°ot. Nem követtünk el azonban hatalmas hibát azzal, hogy egy válaszegyenest húztunk be, méghozzá 195°-nál. Eljárásunkat kétféle érvvel is alátámaszthatjuk. Egyrészt az illesztésből kapott két csúcs számtani közepe (súlyozatlan átlaga) 190,5°, ami elég közel esik az öt fokos beosztású mérés alapján

3

Nukleon

2013. december

választott értékhez. Másrészt a „sima” Gauss-görbe illesztése is 195,21 +/- 0,43°-ot ad egy feltételezett egyszeres csúcs középpontjának, ami szintén megfelel az elemzés előtt választott „nyersebb” eljárásunknak.

VI. évf. (2013) 151

A két csúcs igen jól elkülönül, magasságuk és szélességük pedig a két jelzett sugárforrás közötti különbségekre utal. A pontosság kedvéért illesszük ezekre az adatokra is Gaussgörbék összegét (7. ábra)!

A „pacienst” a függőleges tengelye körül 90°-kal elforgatjuk, és megismételjük a beütés-méréseket a detektorok minden szögállásánál. Az adatokat ismét táblázatban (2. táblázat) foglaltuk össze. 2. táblázat A második mérés adatai Detektorszög

Sc1

Sc2

Koincidencia

135

10707

17550

122

140

10651

17506

393

145

10439

17286

873

150

10182

17523

1387

155

9941

17381

1359

160

9676

17659

948

165

9506

17506

445

170

9237

17323

168

175

9179

17293

183

180

9096

17381

426

185

9016

17551

679

190

8793

17551

823

195

8746

17490

738

200

8541

17499

585

205

8488

17377

293

210

8340

17544

114

215

8313

17503

56

220

8272

17528

57

225

8295

17437

65

Ennél a mérésnél már a puszta adatsor is egyértelműen két kicsúcsosodást mutat: az egyiket 150°-nál, a másikat 190°-nál. Egymás után mindkét helyzetbe visszaforgatjuk a mozgatható detektort, és bejelöljük a fólián a két új válaszegyenest, és a későbbi azonosíthatóság érdekében megbetűzzük a két külön csúcshoz tartozó vonalakat (2A és 2B). A szemléltetéshez rajzoljuk meg ismét a koincidencia beütés – szögállás grafikont (6. ábra)!

7. ábra: Görbeillesztés a második mérésnél Az illesztési paraméterek a csúcsok középpontjaként a 152,70+/-0,12° illetve a 191,34+/-0,24° szögeket jelölik ki. Az illesztés igazolja eljárásunk helyességét: mindkét sugárforráshoz kapcsolódóan a kapott értékekhez legközelebbi, 5-tel osztható egész szögértéket használtuk a válaszegyeneseinket kijelölő pontokként. Ha csak egyetlen „daganat” lenne „betegünk” szervezetében, ennyivel már meg is elégedhetnénk: egy pontszerű(nek tekintett) sugárforrás helyét két válaszegyenes már kijelöli. Jelen esetben azonban biztosak lehetünk benne, hogy két sugárforrást kell keresnünk a próbababában, ekkor viszont további mérésekre van szükség. Ebben a fázisban még csak három válaszegyenessel rendelkezünk (1, 2A és 2B), ami azt jelenti, hogy az egyik forrás nulla vagy egy válaszegyenest produkált csupán, ami kevés helyzetének meghatározásához. (Hiszen az első mérésnél csak egy egyenest jelöltünk be, az illesztés előtt nem látszott még túl jól, hogy két külön daganat hatását vizsgáljuk.) Egyszerű rajzzal (8. ábra) szemléltethető, hogy négy válaszegyenest sem elég megrajzolni, mert a négy metszéspontjuk közül a kék vagy a piros pontpárokban is rejtőzhetnek igazából a „daganatok”, mindkét esetben ugyanezeket a vonalakat kapnánk.

8. ábra: Probléma négy válaszegyenesnél [1] Tehát a két sugárforrás helyének meghatározásához legalább 5 válaszegyenes berajzolása szükséges: ez már egyértelműsíti, melyik pontpárról lehet szó.

6. ábra: A koincidencia-beütések számának szögfüggése a második mérésnél


Ha még több sugárforrásunk lenne, a válaszegyenesek számát megfelelően növelve, ezek helyét is meghatározhatnánk a vonalak csomópontjaiból.

4

Nukleon

2013. december

Harmadik mérésünk előtt ismét elforgattuk a plüssmackót tartalmazó dobozt a korábbiaknak megfelelően, megismételtük a különböző detektor-állások melletti méréseket, és a következő adatokat táblázatban (3. táblázat) rögzítettük.

VI. évf. (2013) 151

Illesszünk ezúttal is két összegzett Gauss-görbét a pontokra (10. ábra)!

3. táblázat A harmadik mérés adatai Detektorszög

Sc1

Sc2

Koincidencia

140

9170

20028

145

145

8971

20127

385

150

8735

20199

726

155

8753

20353

1040

160

8688

19813

1193

165

8717

20241

1128

170

8445

20082

924

175

8373

19930

567

180

8451

20378

262

185

8249

20398

183

190

8404

20316

361

195

8432

20292

676

200

8367

19963

753

205

8399

20107

755

210

8481

19913

466

215

8683

20045

261

220

8805

20128

110

10. ábra: Görbeillesztés a harmadik mérésnél Az illesztés paraméterei ezúttal a két csúcsot 161,35+/-0,32°hoz illetve 201,20+/-0,45°-hoz teszik. Ismét elég közel jártunk tehát a mérés közben választott szögértékeinkkel. (Amint az látható, a kisebb csúcs esetében nem az illesztés eredményéhez legközelebbi szögértéket jelöltük be, de ezen a szakaszon a görbe sem illeszkedik olyan tökéletesen – ennek feltételezett okára a hibaforrásoknál visszatérünk.) Záró lépésként még megrajzoljuk a plüssjáték körvonalát a fóliára, mielőtt eltávolítjuk azt a plexi dobozról (11. ábra).

Ismét két csúcsot kaptunk, 160°-nál és 205°-nál, és behúztuk az ezekhez tartozó válaszegyeneseket. A csúcsok a koincidencia beütés-szögállás grafikonon is szépen elkülönülnek (9. ábra), ha ábrázoljuk (és összekötjük) a pontokat. 11. ábra: A sugárforrások helyének bejelölése Az öt berajzolt válaszegyenesünk segítségével már elég nagy pontossággal háromszögelhetjük a sugárforrások pozícióját: ezeket a fólián be is satíroztuk. Puszta elhelyezkedésükön túl még valamit kijelenthetünk a sugárforrásokról. Az A illetve B források irányában az egyes mérések során koincidenciában detektált beütések számának aránya (szemléletesen: a grafikonokon a csúcsok nagysága) arra enged következtetni, hogy az A sugárforrás aktivitása jóval nagyobb a B forrásénál. Ezt valós, orvosi esetre például úgy lehetne lefordítani, hogy a próbababa fejében elhelyezkedő, A forrásként szolgáló daganat az eredeti betegség, míg a B forrás pl. egy vese-áttétet jelez. 9. ábra: A koincidencia-beütések számának szögfüggése a harmadik mérésnél Az ábránkat felhasználva könnyebben tájékozódhatunk és következetesek maradhatunk a válaszegyenesek megbetűzésében. A nagyobb (160°-nál jelentkező) csúcshoz tartozó egyenes kapta a 3A, a kisebb csúcshoz tartozó a 3B jelet.


Hibaforrások és diszkusszió A gyakorlat végén, a mérésvezető segítségével ellenőriztük eredményeinket, és a két sugárforrást valóban a bejelölt helyeken találtuk meg. A mérés legfőbb, számszerűsíthető hibaforrása a szögmérés pontatlanságából adódik (a szögmérő beosztásának megfelelően):+/-0,5°. Ennek ellenére egész jól sikerült behatárolni a sugárforrások helyzetét, az

5

Nukleon

2013. december

ábrán besatírozott háromszögek mérete kisebb vagy közel egyező a sugárforrások kiterjedésével. Az, hogy esetünkben nem pontosan egy-egy pontot jelölt ki a 3-3 metsző egyenes, feltételezhetően két tényezőre vezethető vissza. Egyrészt az első mérésnél – gyanútlanul, „áttéttel” még nem számolva – csak egy válaszegyenest húztunk be a táblázatos adatok alapján. Később a grafikus ábrázolás, de főleg a görbeillesztés rámutatott, hogy bizonyos mértékben már ekkor is érzékelhető volt, hogy két külön sugárforrás található a plüssmackóban, és azok nem tökéletesen egy vonalban helyezkednek el a detektorok között a kezdeti pozícióban. A behatárolt terület kiterjedtsége másrészt annak is köszönhető, hogy mi kétdimenziós modellként kezeltük a problémát. Ám a gyakorlatban a minták nem pontosan a detektorokkal egy vonalban helyezkedtek el (behelyezésük után a maci megbillenhetett), hanem a B jelű „veseáttét” kicsit lejjebb, és ez már befolyásolta az elérhető pontosságot. A harmadik mérésnél ez okozhatja a látható egyenetlenséget (határozatlan kisebb csúcsot) a grafikonon, amire így pontosan illeszteni a görbét szintén nehezebb volt. (Az eddigi tapasztalatok alapján ez az elrendezés meglehetősen „hibatűrő”. A válaszegyenesek általában egy pontban metszik egymást a filctoll ~0,5 mm-es vonalvastagsága miatt akkor is, ha csak öt fokos pontossággal állunk rá a maximumra – annak ellenére, hogy a tumorok 10x10 mm-es szűrőpapír-négyzetek. Akkor kapunk nagyobb hibaháromszöget, – mint a most bemutatott esetben –, ha a daganat kiemelkedik a két hengeres detektor középvonalát képező síkból.) Ugyanakkor a daganatok súlyosságára vonatkozóan kétségbevonhatatlan információt szereztünk, hiszen az A és B sugárforrás aktivitása (koincidenciában mért beütésszámai) közötti arány mindhárom mérés alapján jóval nagyobb egynél.

VI. évf. (2013) 151

Sugárvédelem Mint azt a motivációs részben már megjegyeztük, a pozitron emissziós tomográfia előnye, hogy pontos információt szolgáltat a daganatokról műtéti kockázat nélkül. Viszont, mivel a fokozott anyagcseréjű területek kimutatásához radioaktív izotópot juttatnak a testbe, a PET-vizsgálat bizonyos mértékben ionizáló sugárzással terheli a beteg szervezetét (ez vizsgálatonként átlagosan 7 mSv-t jelent). Az orvosi célokra alkalmazott 200-400 MBq aktivitású mintához képest a laborgyakorlaton alkalmazott sugárforrás igen kis aktivitású (< 0,1 MBq). Ez a 3-4 órás mérés során kb. 0,0001 mSv terhelést jelent. Ugyanakkor a természetes háttérsugárzás évenként 2,5 mSv – ez azt jelenti, hogy a természet 2,5 milliJolue/kg sugárterhelést gyakorol ránk. (Sugárvédelemről bővebben itt: http://pavogy.web.elte.hu/Fizikus/SUG/sug.html az 1-2 pontban lehet olvasni.) Ennek ellenére természetesen e kísérletet végzőknek is szem előtt kell tartaniuk a biztonsági szempontokat. [1] A sugárvédelem egyik alapelve az angol betűszóból alkotott ALARA-elv („As Low As Reasonably Achievable”), amelynek értelmében bármely sugárveszélyes tevékenységet úgy kell elvégezni, hogy a résztvevő személyek a lehető legkisebb dózist kapják [2]. A PET-vizsgálatot modellező mérésnél ezért a résztvevőknek ajánlott megtartani a lehető legnagyobb távolságot a sugárforrásoktól (pl. egy méter), fölöslegesen nem túl közel hajolni hozzájuk, és szigorúan csak csipesszel megfogni őket, elhelyezésüket és eltávolításukat inkább a mérésvezetőre bízni, pusztán a helyes gyakorlat elsajátításának céljából. [1]

Összefoglalás Jelen kétrészes írásunkban az elméleti alapok leírásával és egy konkrét mérési jegyzőkönyv bemutatásával ismertettünk egy lehetséges feldolgozási módot a magfizika témakörébe eső elektron-pozitron annihiláció feldolgozására, amelyben külön hangsúlyt kap a jelenség egy fontos orvosi alkalmazása, a pozitronemissziós tomográfia. Ajánljuk fakultációs órán és speciális reáltagozatos tanórán a téma feldolgozását.


Pávó Gyula, Veres Gábor: PET – Pozitron annihiláció vizsgálata, Modern Fizika Laboratórium mérési leírás http://wigner.elte.hu/koltai/labor/parts/modern10.pdf

[2]

Környezetfizikai minilexikon http://atomfizika.elte.hu/Minilexikon/minilexikon.htm#ALARA


6

Tartalom. Főszerkesztő: Radnóti Katalin

Recommend Documents