Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

I zotópkutató Intézet Magyar Tudmányos Akadémia Atomerőműtől a fúziós erőműig. Veres Árpád PhD, DSc, ny. ig.,tudományos tanácsadó, MTA Izotópkutató Intézet.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "I zotópkutató Intézet Magyar Tudmányos Akadémia Atomerőműtől a fúziós erőműig. Veres Árpád PhD, DSc, ny. ig.,tudományos tanácsadó, MTA Izotópkutató Intézet."— Előadás másolata:

1 I zotópkutató Intézet Magyar Tudmányos Akadémia Atomerőműtől a fúziós erőműig. Veres Árpád PhD, DSc, ny. ig.,tudományos tanácsadó, MTA Izotópkutató Intézet 1525 Bp. Pf

2 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram 1. Bevezetés (energiahordozók a világ teljes és a hazai villamos-energia felhasználásban). 2. Atommaghasadással működő erőművek Kritikus üzemmódú, atomerőművek Gyorsítóval hajtott szubkritikus üzemű atomerőművek, nukleáris hulladékelégetés. 3. Atommagok fúzióján alapuló erőművek Mágneses plazmabezárás Az inerciális plazmabezárás. 4. Összefoglalás. Az előadás vázlata

3 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram 1. Bevezetés A különböző energiahordozók részvétele a hazai villamos és a világ teljes energia felhasználásában szén 24,4 %; földgáz 35,1 %; olaj 2,2 %; megújuló 2,3 %; vízi 0,5 %; nukleáris 35,3 %, (2020-ra 60 %). olaj 35 %; szén 25,3 %; földgáz 20,7 %; biomassza 10 %; vízi 2,2 % és egyéb 0,5 %; nukleáris 6,3 % (a villamos-áram arányában 15,3 %);

4 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram A föld népesség és energiaigénye alakulása ÉvNépesség (milliárd fő) Energiaigény (Gigatonna per év ) Megjegyzés, E-ekvivalens (olaj)**1 Gt olaj ~ 125 erőmű (GW) (olaj)*Az energiaigény, becslés 20709** (csúcs)15 (olaj)***2100-ra 8,4 Mrd fő 2007, ENSZ 191 tagállam. 31-ben 439 atomerőmű üzemelt. A termelt villamos áram: 2,6×10 12 kWh; ( 371,7 GW, benne Paks : 1, 8 6 GW), a mi a világ villamos - áram termelésének a 15,1 %-a (IAEA PRIS adatai). N émet GBR ( Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe ) becslés: Az e nergiahordozó ásványi-anyagok „ statikus élettartam a” (készletek / éves termelés) év végén: Kőolaj 43 év, földgáz 64 év, kőszén és lignit >200 év, urán > 40 év (az urán élettartama, a feldolgozásnál visszanyert értékkel növelhető). A lakossági félelmek, a környezetvédelemi aggályok (atombomba, Csernobil, nukleáris hulladék,) a mai kritikus atomerőművek mellett új szubkritikus és fúziós atomerőművek kifejlesztésére serkentették a szakembereket.

5 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram 2. Atommaghasadással működő atomerőművek 1942, dec ember 2, az első önfenntartó láncreakció, Chicagói Egyetem atom - mágly a (Enrico Fermi, Szilárd Leó). 1946, aug. 6 és 9, atombomba jún ius 27, első atomerőmű, (5 MW ) látképe, Obnyinszk, SZU. Sugárzó anyagok felhasználása: 1946, USA; 1950, SzU; 1954, M.O. Az U atommagok neutron-befogásos hasadását 1939-ben (Hahn és Strassmann, német kutatók) fedezték fel

6 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram 235 U 92 +n → 137 Cs Rb 37 +3n ( 1 láncreakciótag) A 90-s és 150-s tömegszámok körül sok más variáció fordulhat elő. 235 U 96 Rb Cs 55 n

7 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram 2.1. Kritikus üzemmódú atomerőművek Kritikus az állapot, ha az önfenntartó láncreakció külső n - forrás nélkül valósul meg. Ez egy igen szűk neutron-intenzitás tartomány. A n-intenzitás tartomány alsó határa alatt a reakció leáll, a felső határt meghaladva, pedig veszélyesen megszalad (Csernobil). Ezért a láncreakciónak egy kritikus intenzitás- tartományon belül tartását szabályozó rudakkal kell biztosít ani. A nukleáris ipar alapproblémái: a biztonság, a nukleáris hulladékok, a proliferáció-állóság és költségek kérdése. 1.Generáció: s évek prototípus erőművei, 1954, SzU (5MW); 1956, UK (50 MW, majd 200 MW);, 1957, USA (60 MW). Ezek ma már szinte nem üzemelnek. 2.Generáció: s évek erőmű típusai ( MW). Ebbe a kategóriába tartozik mai atomerőművek többsége. 3.Generáció: Az 1980-as évek után épült könnyű-, forró- és nyomott-vizes reaktorok (ABWR, EPR, APWR, AP1000, AES-2006, ACR-1000 és a paksi VVER- 400-as).

8 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram 2.1. Kritikus üzemmódú atomerőművek folytatás 4. Generáció: (GFR) gyorsreaktort nagyobb biztonságúnak tartják. A nukleáris üzemanyagláncot ezek a reaktorok bezárnák (a kiégett fűtőelemeket reprocesszáló üzemekben dolgoznák fel, a kivont uránból és plutóniumból újra fűtőelemeket gyártanának, így a hulladékprobléma, az üzemanyag-ellátás is megoldódna). A forró hőmérséklet hasznosítható lenne hidrogéntermelésre. Megjelenését év körülire becsülik. Az eddigi tapasztalatok, de a költségesség okán is nehezen hihető, hogy ezen rendszerek széles körben elérhetővé válnának. A 3. generációs erőművek jelene, meghosszításának, bővítésének és nukleáris hulladékénak a helyzete:

9 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram A paksi atomerőmű blokkok, reaktortest és zóna látképe. Zóna felülnézet 1 reaktorban: 42 tonna urán, 360 kötegben. 1 köteg: 126 pálca. A 4 reaktor: 1860 MW, (13,4 TWó, 37.6 %). Egy g 235 U: 23 MW term. Reaktortest oldalnézet reaktorzóna köteg

10 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram A hazai atomerőmű bővítés helyzete 2009, április 30, az országgyűlés (330 igen, 6 nem, 10 tartózkodás) hozzájárul új atomerőműi blokkok paksi építéséhez. A bővítésre javasolt négy blokktípus közül a VVER 91/90 (víz-vizes energetikai reaktor) és az EPR (Európai nyomott-vizes reaktor) mellett több szakmai előnyt találtak a szakértők.

11 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram A bővítésre szánt blokkok paksi telephelyi elhelyezése, (A. Cserháti, ETE konferencia, Siófok, június 3-4).

12 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram Radioaktív hulladék problémák 2015-ig várhatóan t nukleáris hulladék keletkezik. Eloszlása: Transzurán (TrU) és hasadási (Ht) termékek. • ~ t. >500 t. Pu USA. • > (1/3) Oroszország, ill. régi SZU. • < (1/3) Európa, Távol kelet, stb. 1 tonna (33 MWd/kg kiégett) fűtőelem TrU és Ht tartalma: TrU T 1/2 (év) (g/t) 239 Pu * 237 Np Am Cm ,2 * Össz. Pu : Ht. T 1/2 (év) (g/t) 99 Tc Cs I Ezeknek a hulladékoknak a biztonságos tárolására. átalakítására számos erőfeszítés történt, különös tekintettel a lakossági félelmekre is.

13 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram Radiotracer Studies of interfaces, ELSEVIER, Amsterdam, 2004, ed. G. Horanyi. Chapter 10.2, Á. Veres, Environ- mental problems. •A mélygeológiai hulladék- tárolás nyomjelzés-technikai vizsgálatai. •Határfelületek közötti izotóp- csere. Piro-kémiai elválasztás. •Nukleáris hulladékégetés spallációs magreakcióval old. A szubkritikus atomerőművek helyzete:

14 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram 2.2. Gyorsítóval hajtott szubkritikus atomerőmű, (spallációs magreakció, külső neutronforrás) GeV p target atommag atommagon belüli kaszkádok atommagok közötti kaszkádok erősen gerjesztett atommag  hasadás, részecske emisszió Kaszkád képződm., p, n,  stb. proton neutron        n maradék mag elpárolgás

15 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram Gyorsító séma (spallációs neutronforrás) a szubkritikus üzemű atomerőművek hajtására. Az 1 GeV, 100 mA nyalábáramú protongyorsító blokkdiagramja Egy ilyen gyorsítóval hajtott, 2×500 MW t -os erőmű ben, évenként 400 kg 39 Pu és 100 kg aktinoida (TrU) alakítható át (égethető el).

16 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram Egy gyorsítóval hajtott szubkritikus atomerőmű japán koncepciója [Takizuka, JAERI-Conf , 150, 1999]

17 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram USA tonna kiégett fűtőelem elválasztása. Az alsókeretben az ATW égető (középkör) t szétválasztása: tonna urán, 600 tonna TrU és 2400 tonna hasadási termék. 2.A t U feldolgozása új fűtőelemmé. Ez a tekintélyes mennyiség növeli az alap-anyag tartalékot t TrU és 2400 t hasadási termék a szubkritikus erőmű fűtőeleme. Ez 300 tonnára, 1/10- ére csökken. 4.ATW áramtermelése: 560 GW-év + 10 % APT gyorsító üzemeltetés. (Paksi termelés: 1,6 GW-év ennek kb. a 350-ed része).

18 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram Az USA programja a 2100-ig felgyülemlő kiégett- fűtőelemek feldolgozására és hasznosítására. Beller et al, Nucl. Instr. Meth. A463, 468, (2001) 2036-ig a kiégett fűtőelem mennyisége: tonnára nő, amelyben transzuránokon kívül 93 t 99 Tc és 20 t 129 I a hasadási termék. Az 560 GW-év 800 GW-év lesz 2100-ra.

19 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram 3. Atommagok fúzióján alapuló erőművek Ahhoz, hogy két könnyű atommag egyesülhessen nagy sűrűségű és forró (DT fúzió küszöbenergia 77 MC°) plazmaállapotba kell hozni a gázkeveréket. Az atommagok halmazállapotai: Szilárd Folyékony GázPlazma* * Plazma-állapotban a részecskék mozgási energiája sokkal nagyobb az atomi kötésnél. Az ütközéseknél az atommagról leszakadnak az elektronok és atommagok gázkeveréket alkotnak.

20 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram Fúziós-plazma bezárási modellek 1.Gravitációs bezárás – asztrofizikai környezet. 2.Mágneses bezárás (Tokamak). A külső mágnes-tekercsek és plazmaáram belső mágneses tereinek eredője képezik az összetartó mágneses teret. Itt a külső mágnestér gátja miatt a kialakuló forró plazma részecskesűrűsége igen kicsi: cm -3, és a lineáris mérete, pedig rendkívül nagy: cm. 3.Inerciális bezárás (Lézer). Nincs mágnes-gát, semmi sem gátolja a forró plazma kialakulását. A bezárási idő és a részecske tehetetlenségi (inercia) ideje azonos, innen az elnevezés is. A részecskesűrűség igen nagy: cm -3 és a lineáris méret, pedig igen kicsi: μm.

21 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram A deutérium és a trícium fúziójának a szemléltető ábrája. Pozitív töltésű atommagok erősen akadályozzák a fúziót (Coulomb gát *). Ez a gát a D és T fúzió nál 77 millió C° (küszöb - energia). M ágneses bezárásnál a plazma kialakulás és fennmaradás fel- tétele : a z n részecskesűrűség és a t élettartam szorzata az nagyobb kell, hogy legyen a Lewson kritikus értéknél : n·t > s·cm -3 *

22 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram Mágneses, lézeres plazmaméretek és a fúzió  A Tokamak alapvető részei: tórusz alakú vákuumkamra, toroidális tekercs, transzformátor és további kiegészítő tekercsek. Nagy plazmaméret: m.  Több szimmetrikus kisenergiás lézer lökéshullámai a 2 mm Ø gömb T+D keverék (20 K°) sűrűségét össze- nyomja (100x-os) néhány mikronra. Egy erős lézer gyújt: Belövés → kompresszió → gyújtás → fúzió

23 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram Kapszula (hohlraum) és a DT gömb a gyújtáshoz. (UCRL , December 30, 2001) Indirekt fúzió, kapszulafűtés több millió hőfok ra, ion és nehézion nyalábbal. Probléma a kis hatásfok. Direkt fúzió : Fó kuszált lézer gyújtja a reakciót. Gyors direkt fúzió : Az ö sszenyomás kis E.-ás lézerekkel történik.

24 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram Indirekt gyújtás, ( a göböcske kapszulában ) NIF target-ka m ra Ø:10 m, 192 lézer nyaláb Nova lézer target-kamra Ø: 4,5 m, 10 lézer nyaláb

25 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram Lézer (inerciális) és mágnes bezárásos reaktormodulok Tokamak fejlesztés 30 év ~10 Mrd Є. ITER 2005, világ legnagyobb mágneses fúziós berendezése (Cadarache Fr. O.). 500 MW energiát állít elő 10 percig. 4.7 Mrd Є kerül. 20 év i üzem kt g. ~ 5 Mrd $. A KOYO-F lézerrel hajtott erőmű gyors- gyújtású reaktormodul keresztmetszeti nézete. 32 összenyomó lézernyaláb, egy gyújtólézer és két target belövő v ezeték. A TD gömb (középen) 150×-s nagyítás ú.

26 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram Japán KOYO-F gyors fúziós-erőmű látképe, főbb adatai, bal alsó sarokban a reaktor. v Erőmű net teljesítm. 4×300 MW 32 léz. Öny. 1köt. Gyújt. 1,1 MJ 0,1 MJ Fúzió E/imp200 MJ Reaktor ism4 Hz Lézer ism16 Hz Burok E.×1,2 W el /W th hf.41,5 % Recirk. E240MW Gekko XII 2001 gyf. Japán- Brit kcs

27 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram A 2007-ben indult EU: HiPER gyorsfúziós berendezés látképe és alapadatai. UK. Rutherford Appleton Labor. • Konstrukciós fázis: 2011/12. •Kamra Ø: 10 m. •40 db össze- nyomó lézer 200 kJ. •Gyújtó lézer 70 kJ. •Sűrűség igény: g/cm 3.

28 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram High Average Power Laser Program (HAPL) USA. (8 labor, 4 egyetem, 6 vállalat)

29 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram A HAPL program folyamatának és fázisainak leírása Ind ult ben, a kritikus részek ( target g yártás, belövés, optika és fúziós kamra ) kutatás-fejlesztésével. • I. fázis. K omponensek egységekké fejlesztése (200 6 ). • II. fázis. A működésképesség demonstrálása, erőmű üzemelési körülmények között ( ). • III. fázis. F olyamatos termonukleáris égést produkáló eszköz tesztje. 300 µm Ø, 1000 gcm °K labdacs. Fúzió ~ 10 M°C év. •A lapadat ok : 1750 MW, 5 Hz; Kamra Ø: 11 m; a belső falvastagság: 3,5 mm; B e lép ő folyékony lítium : 405 C°, a ki lép ő hőmérséklet:575 C°. Az áramlási sebesség : külső 3,7 m/s; belső : 0,15 m/s. A wolfram burkolat maximális hőmérséklete <2400 C° lehet.

30 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram 1 GW teljesítményű erőmű által 1 év alatt termelt energia. E 1 = 10 9 ×365×86400 s = 3,15×10 16 J Egy molekula) DT fúziójánál 17,6 MeV energia keletkezik, ami = 17,6×10 6 ×1,6× =2,8× J. 1 mol (6×10 23 db). E 2 = 2,8× ×6×10 23 =1,68×10 12 J. E 1 /E 2 ≈ 2·10 4 mol  40 kg D és 60 kg T. Az USA-ban között 226 kg tríciumot termeltek. Egy 600 MW erőmű primer hűtőköri lítiumból 16,9 kg T/év termelhető (önköltségi ár: $/kg). A 60 kg T ára: 270 millió dollár, ez 1 kWó áram költségé ben ~ 3 cent ~ 6 Ft (Paks 11,16 Ft/kWó). A deutérium vízben: 1/6000, korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre, költsége a tríciumhoz képest minimális. • A fúziós erőmű T és D üzemanyag igénye

31 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram A fúzió másodlagos folyamatai 3 H( 2 H,nγ) 4 He reakció sémája (VÁ, Japán ea., részlet, 1977) 4 He 5 He   MeV  n,14, 1 MeV TD; 17,6 MeV -0,9 MeV   /  n = 5,6×10 -5 α 3,5 MeV •Az 1000 MW energiát 3×10 20 fúzió/s állítja elő. A fúziót kísérő n és  hozambecslések: •Neutron: ~ 3×10 20 n/s. •  *: 3×10 20 ×5,6×10 -5 ~ 1,7×10 16  /s. •A Li, C, stb. hűtőközeg (n,  ), Ekin+Eköt >10 MeV  **: ~ 3×10 16  /s. •Össz-  : ~ 4,7×10 16  /s. •A 10 MeV feletti  -k a védőközegben ( ,n)-el foto-neutront keltenek. •Foto-neutron hozam: n/s.

32 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram 1.A kritikus üzemmódú 3. generációs atomerőmű-blokkok éves hazai meghosszabbítása várható generáció, zárt üzemanyaglánc (kiégett fűtőelem újra feldolgozása, a kivont U és Pu új fűtőelemként felhasználása). S ok a tisztázatlan kérdés. Úgy véljük, hogy érdemben nem tudják befolyásolni a nukleáris energetika jövőjének alakulását. 3.A szubkritikus, gyorsítóval hajtott atomerőművek piaci elterjedése a 2050-s évek re várható. Előnyei: Lekapcsolhatók, a veszélyes nukleáris hulladékok rövid életűekké átalakíthatók, (elégethetők). 4. Összefoglalás

33 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram 4. ITER (mágnes bezárás) fúziós berendezés. Elektromos energia termelésre nem alkalmas és tríciumból sem lesz önfenntartó. Tesztelhetnek vele: trícium-termelési eljárásokat, alfarészecske fűtőhatást plazmára, stb. 5. Lézerhajtású (inerciális) fúziós erőmű vek : KOYO-F, HiPER, HAPL, a t apasztalatok rendkívül biztatóak, erőműként megjelenése a 2030-as évekre tehető. A jövő atomerőművének gondol om. 4. Összefoglalás folytatása

34 Izotópkutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Február 3, Miskolc OMBKE BHSz, évi rendezvényprogram Köszönöm a figyelmet!


Letölteni ppt "I zotópkutató Intézet Magyar Tudmányos Akadémia Atomerőműtől a fúziós erőműig. Veres Árpád PhD, DSc, ny. ig.,tudományos tanácsadó, MTA Izotópkutató Intézet."

Hasonló előadás


Google Hirdetések