Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

7. témakör Villamosenergia-termelés atomerőművekben.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "7. témakör Villamosenergia-termelés atomerőművekben."— Előadás másolata:

1 7. témakör Villamosenergia-termelés atomerőművekben

2 Tartalom 1. Magfizikai alapok. 2. Az atommag felépítése, jellemzői. 3. Radioaktivitás, neutron magreakciók. 4. Maghasadás. 5. Láncreakció, atomreaktor. 6. Atomerőművek.

3 1. Magfizikai alapok (semleges) atom=(+) atommag + (-) elektronburok. atommag=p+n és p=e (kifelé semleges). u (nyugalmi tömeg) Energia [MeV] Elektromos töltés p1, ,18+1 n1, ,470 e0, ,511

4 Magfizikai alapok u=atomi tömegegység (12 tömegszámú szénatom (C- 12) tömegének 1/12-ed része. 1u=1, [g]. E o =mc 2 =1, [kg]* [m/s] 2 =1, J. m[g]=Au → A=6, [db/mol] e-elektromos töltés, amely az elektron és a proton töltésének nagyságával azonos → elemi töltés 1e=1, C. 1 eV=Q(1e - )*ΔU(1V) mozgási energiát nyer 1 e- töltéssel rendelkező részecske, ha 1V feszültségkülönbség hatására gyorsul: 1eV=1,6021* [C]*1[V] = 1, J.

5 Magfizikai alapok 1u energiája: 1, [J]/1, [eV] =932, eV=932,5 MeV. m(e)=9, [g], E o =9, [kg]* [m/s] 2 =8, [J]/1, = eV=511 [keV]. Einstein energia-megmaradás elve: a nyugalmi energia [E o ] és a nyugalmi (v=0) tömeg [m o ] ekvivalencia:

6 Magfizikai alapok Egy anyagi részecske összes energiája (E o és m o csak együtt változhat): Exoterm reakció: a nyugalmi energia rovására nő a kinetikus energia (energiatermelő folyamat). Endoterm reakció: a befektetett kinetikus energia árán nő a reakcióban résztvevőrészecskék nyugalmi energiája (gyorsítók).

7 Magfizikai alapok c≈ [km/s]= [m/s]. 1 g tömegnek megfelelő nyugalmi energia: E o =m o c 2 = [kg]* [m/s] 2 = J= kJ. 1 kg tiszta szén (H ü =33800 kJ/kg) eltüzelése: 1kg U-235 valamennyi atommagjának elhasadása során (H ü =) 8, kJ energia szabadul fel:

8 Magfizikai alapok Nukleáris/kémiai kötött energia aránya:

9 2. Az atommag felépítése, jellemzői A protonok száma: Z, A neutronok száma: N, Tömegszám: A=Z+N Jelölés: X a kérdéses elem vegyjele → azonosítja a rendszámot (Z) → A és Z alapján N meghatározható, ezért 1 H, 16 O, 235 U. m p =1, u ≈m n =1, u, m p /m e =1, u/0, u≈1835, ill. (m p +m n )/m e =3670→ az atom tömege gyakorlatilag a magban koncentrálódik.

10 Az atommag felépítése, jellemzői Az atommag sugara: A mag sűrűsége óriási (10 14 g/cm 3 ), azaz szor nagyobb, mint a köznapi életben megszokott sűrűség (1-10 g/cm 3 ).

11 Az atommag felépítése, jellemzői Egy elem atommagjában Z számú proton mellett különböző számú neutron lehet → izotópok. – 1 H, 2 H(D), 3 H(T), – 16 O, 17 O, 18 O, – 233 U, 235 U, 238 U. A természetben található stabil izotópok alapján a következő fő megállapítások tehetők: –A legtöbb elem különböző izotópok keveréke, –A kis rendszámú elemeknél Z≈N, ( 4 He: Z=N=2, 16 O: Z=N=8), –A rendszám növekedésével a magban található neutronok száma egyre nagyobb mértékben meghaladja a protonokét.

12 A stabil izotópok összetartozó neutron- és protonszáma [Csom]

13 Az atommag felépítése, jellemzői A magerőtér tartja össze az atommagot → kötési energia (E b ) → tömegdefektus (ΔM) (M o az atommag nyugalmi tömege): Fajlagos kötési energia:

14 A fajlagos kötési energia (e b ) a tömegszám függvényében [Csom]

15 Az atommag felépítése, jellemzői 1 kg tiszta C elégetésekor 33,8 MJ/kg. 1 kg U-235 valamennyi atommagjának elhasadásakor: 1 kg 2 H 2 O-ban levő valamennyi 2 H-atommag 4 He- atommaggá történő fúziója:

16 Az atommag felépítése, jellemzői Az atommag csak diszkrét energiájú állapotban létezhet, azaz az atommagok nívószerkezettel rendelkeznek:

17 3. Radioaktivitás, neutron magreakciók Radioaktív bomlás (neutron- vagy protonfelesleg): A radioaktív bomlás formái: –β - -bomlás (negatív bétabomlás), –β + -bomlás (negatív bétabomlás), –K-befogás (inverz bétabomlás), –α-bomlás (negatív bétabomlás), –neutron-kibocsátás, –γ-sugárzás kibocsátása, –izomer átalakulás.

18 Radioaktivitás Időbeli lefolyás: adott radionuklid mikor bomlik el, nem lehet megmondani. Azt azonban igen, hogy időegység alatt milyen valószínűséggel bomlik el → bomlási állandó (λ): Sugárzás és anyag kölcsönhatása: –α-sugárzás, –β-sugárzás, –γ-sugárzás.

19 A radioaktív magok fogyása az idő függvényében [Csom]

20 Neutron magreakciók bombázó részecske n, H, α-részecske T (targetmag)

21 Neutron magreakciók A neutronok elektromosan semlegesek, ezért könnyen be tudnak hatolni a magba, de kellően nagy energiával kell rendelkezni, hogy képesek legyenek legyőzni az atommag (+)-töltése által keltett Coulomb-gátat. –Kezdeti szakasz: n v-vel közeledik T felé. A köztük levő távolság nagyobb a magerők hatótávolságánál → kölcsönhatás még nem történik. –Közbenső állapot: n a magerők hatótávolságán belülre került, azaz belépett a magba, (Eszep-a magba történő belépés eredményeként felszabaduló energia), a mag gerjesztett állapotban:

22 Coulomb-gát az atommag körül [Csom]

23 Neutron magreakciók A közbenső állapot addig tart, amíg valamely nukleon akkora energiára tesz szert, hogy kilép vagy γ-foton kibocsátás formájában szűnik meg. –Végső szakasz: két reakciótermék X és Y egymástól távolódó mozgást végez, s köztük már semmilyen nukleáris kölcsönhatás nem áll fenn. A reakció (természetes magfizikai időegység s): ahol X-termékmag, Y-keletkezett részecske, ill. γ-foton.

24 Neutron magreakciók Teljesülnek a megmaradási elvek: –nyugalmi tömegeknek megfelelő, nyugalmi energiákat is figyelembe vevő energia-megmaradás, –nukleonszám (tömegszám) megmaradás, –elektromos töltés megmaradás, –impulzusnyomaték megmaradás, –impulzus megmaradás, –paritás megmaradás.

25 Neutron magreakciók K* közbenső mag X,Y reakciótermékké alakulása különböző módokon (reakciócsatornákon) keresztül valósulhat meg. A lehetséges reakciócsatornák: –rugalmas szórás (n,n) reakció, –rugalmatlan szórás (n,n’) reakció, –radiációs befogás (n,γ) reakció, –töltöttrészecske-reakciók: (n,p), (n,d), (n,α) –neutron-emisszióval járó reakciók: (n,n), –maghasadási reakció: (n,f). (f-fisszió, hasadás).

26 Maghasadási (fissziós) reakció H 1 H 2 n T + (2-3)n szekunder hozadványok stabil izotópok

27 Maghasadási (fissziós) reakció 235 U ( 239 Pu, 241 Pu) a reakciócsatorna minden neutronenergiára nyitott; 238 U csak ha E szep +E k >E hk (hasadási küszöbenergia).

28 Neutron magreakciók hatáskeresztmetszete N db adott típusú atommag 1 cm 3 -ben (magsűrűség, cm -3 ), n db neutron 1 cm 3 -ben (neutronsűrűség, cm -3 ), Θ az állónak feltételezett atommagok és a v sebességgel [cms -1 ] mozgó neutronok másodpercenkénti találkozásának száma (a találkozó vagy magreakcióra vezet vagy sem), Φ neutronfluxus [cm -2 s -1 ].

29 Neutron magreakciók hatáskeresztmetszete Reakciósűrűség [cm -3 s -1 ]: –σ mikroszkopikus hatáskeresztmetszet 1 magra, egységnyi neutronfluxusra eső reakciósűrűség [cm 2 ] (ama hatásos keresztmetszetként képzelhető el, amelyet az atommag a közeledő neutronnal szemben mutat). –Σ makroszkopikus hatáskeresztmetszet az egységnyi neutronfluxusra eső reakciósűrűség [cm -1 ].

30 Neutron magreakciók hatáskeresztmetszete A hatáskeresztmetszet reakciótípusonként értelmezhető: –rugalmas szórás (σ es ), –rugalmatlan szórás (σ is ), –Szórás: σ s = σ es + σ is, –radiációs (capture) befogás (σ c ), –maghasadás (σ f ), –Abszorpció: σ a = σ c + σ f, –Totális hatáskeresztmetszet: σ tot = σ a + σ s, –töltöttrészecske-reakciók: σ (n,p), σ (n,d) + σ (n,α). σ függ a részecske energiájától (c 2 -n keresztül)!

31 4. Maghasadás Mind a gerjesztett, mind a spontán hasadásnál általában két (ritkábban három) középnehéz mag (primer hasadási termék, ill. hasadvány) és 2-3 (ritkán ennél több) gyorsneutron (hasadási neutron) keletkezik. A közbenső mag sokféle módon hasadhat szét, így ugyanabból az izotópból (pl. 235 U-ból) kiindulva sokféle középnehéz hasadvány keletkezhet. A középnehéz hasadványok energiája zömmel 60 és 100 MeV körül csoportosul (egy nagyobb energiájú könnyebb és egy kisebb energiájú nehezebb középnehéz mag keletkezik).

32 Az energia megoszlása a hasadványok között [Csom]

33 Az 235 U termikus ill. 14 MeV-es neutronok által kiváltott hasadásánál keletkező hasadványok keletkezési gyakorisága [Csom]

34 Maghasadás A β- részecskék mellett γ-fotonok is keletkeznek, ezért a nukleáris üzemanyag, amelyben hasadások már lejátszódtak igen erős sugárforrás. A kiégett üzemanyagban 30-féle hasadás: –60 primer – szekunder hasadvány ( 90 Sr T 1/2 =28 év, 137 Cs T 1/2 =30 év).

35 Maghasadás A hasadványok között sok olyan van, amelynek neutronabszorpciós keresztmetszete jelentős. Ezek a keletkező neutronok egy részét elnyelik (neutronfogyasztók). Hatásuk a reaktorra kedvezőtlen (reaktormérgek). Legjelentősebb a nagy valószínűséggel (kb. 6,5%) keletkező és igen nagy (10 6 barn, 1 barn= cm 2 ) befogási hatáskeresztmetszettel rendelkező 135 Xe. Prompt (azonnali) neutron: a neutron kibocsátási idejének felső határa s. Ezen időn belül lép ki a neutronok 90 %-a (a legnehezebb könnyű és a legnehezebb nehéz hasadási termékekből). A maradék 10% a hasadás pillanatában vagy a még éppen álló magból lép ki. A hasadásonkéti neutronok átlagos száma függ –a hasadó mag típusától és –a hasadást kiváltó neutron energiájától.

36 A neutronok eloszlása n átlag körül [Csom]

37 n átlag értéke néhány izotópra és neutronenergiára [Csom]

38 Maghasadás A prompt neutronok kibocsátása után a hasadási termékek még neutronfelesleggel rendelkeznek, és egymást követő β-emissziók (egyes esetekben n- kibocsátással) jutnak el a stabilis izotópig. A késő neutronok részaránya kicsi, de a reaktorok kinetikája és szabályozhatósága szempontjából fontos szerepet (nélkülük nem beszélhetnénk magenergia-hasznosításról!). A késő neutronok részaránya (β): – 235 U: β=0,64%, – 233 U: β=0,26%, – 239Pu : β=0,21%.

39 Késő neutroncsoportok jellemzői [Csom]

40 Maghasadás A neutron-elnyelésenként felszabaduló hasadási neutronok átlagos száma: A hasadási termékek gerjesztési energiájukat neutron-kibocsátással, majd γ-emisszióval adják le (prompt γ-sugarak <10 -9 s, energiaspektruma max eV, átlag 0,7 MeV). A η(E) és E n =2 MeV: – 235 U: n átlag =2,07, E n =2,5 MeV, – 233 U: n átlag =2,30, E n =2,6 MeV, – 239Pu : n átlag =2,08, E n =3,1 MeV.

41 Maghasadás Hasadásonként mintegy 200 MeV energia, melyet a hasadási termékek és a különböző sugárzások viszik megukkal (nagy része prompt, kisebb része később). Radioaktív izotópok előállítása: –Pl. 59 Co(n,γ) 60 Co. Új, hasadóképes izotópok előállítása:

42 Maghasadás A keletkező izotópok két nagy csoportba sorolhatók: –hasadási termékek, –transzurán izotópok. Valamennyi hosszú felezési idejű radioizotóp neutron-magreakciókkal átalakítható rövidebb felezési idejűvé: –termikus neutronokkal (n,γ)-reakcióval, –gyorsneutronokkal (n,2n)- ill. (n,3n)-reakciókkal.

43 Hosszú felezési idejű hasadási termékek felezési ideje és termelt mennyisége [Csom]

44 Hosszú felezési idejű transzurán izotópok felezési ideje és termelt mennyisége [Csom]

45 Transzmutáció A termikus és gyorsreaktorokból eltávolított, reprocesszált kiégett üzemanyagból a hosszú felezési idejű hasadási termékeket és transzurán izotópokat elválasztják. Új üzemanyag részeként behelyezik egy kemény neutron-spektrumú gyorsreaktorba. Energiatermelés mellett a hulladék ártalmatlanítására is alkalmassá válik.

46 5. Láncreakció, atomreaktor Láncreakció: az egymást követő reakciók egymáshoz kapcsolódnak, a sorban később következő reakciók feltételét a megelőző reakciók teremtik meg. Láncreakció az égés is: az oxidáció révén keletkező hő révén bekövetkező felmelegedés adja az újabb oxidáció feltételét. Csupán egy szál gyufa meggyújtásával el kell indítani a folyamatot, és gondoskodni kell a tüzelőanyag és az oxigén utánpótlásáról. Láncreakciót képezhetnek az egymást követő és egymásból következő hasadási reakciók. Az elindító gyufaszál a külső neutronforrásból származó neutron.

47 Láncreakciók [Csom]

48 Láncreakció Egy láncszem a neutronciklus (ciklusidő vagy generációs idő nagyon rövid), és önfenntartó a láncreakció. Atombomba: szabályozatlan divergens láncreakció, azaz egyre több atommag hasad el, egyre több energia termelődik időegység alatt. Gyorsreaktor: láncreakció szabályozott formában (a hasadások száma ne növekedjen adott határon túl). Termikus reaktor: a gyorsneutronok lassítása termikus energiáig, s e termikus neutronok váltják ki az újabb maghasadásokat. A lassítás a moderátorban valósul meg.

49 Atomreaktor Sokszorozási tényező: n-szám a prompt és késői neutronok együttes száma. –k=1→n(t)=const → kritikus, –k>1→n(t) nő → szuperkritikus, –k<1→n(t) csökken → szubkritikus. Önfenntartó láncreakció k≥1.

50 Atomreaktor Atomreaktor: a maghasadáson alapuló önfenntartó láncreakció szabályozott formában, külső neutronforrás nélkül megvalósító műszaki létesítmény. Gyorsreaktor: a maghasadások döntő részét – a hasadási neutronok energiájához közeli energiájú (MeV) neutronok – váltják ki (nem tartalmazhat lassító közeget (a reaktorok kb. 1%-a). Termikus reaktor: a maghasadások döntő részét a közeg atommagjaival termikus egyensúlyban lévő termikus neutronok ( eV) váltják ki. A gyorsneutronok lassítását (energiacsökkentését) a moderátor végzi (a reaktorok kb. 99 %-a).

51 Neutronlassítás A hasadás során keletkező neutronok átlagenergiája 2 MeV, a termikus neutronoké 0,01-0,1 V, közel 8 nagyságrend a különbség. A neutronok lassítása az atommagokkal történő rugalmas és rugalmatlan (valószínűsége közel zérus) szórásokkal valósul meg. A szórás előtti és utáni neutronenergiák aránya mindig ugyanaz, azaz az átlagos logaritmikus energiacsökkenés (lassítási erélyesség):

52 Neutronlassítás A lassítási erélyesség ismeretében meghatározható, hogy átlagosan hány rugalmas szórásra van szükség ahhoz, hogy a neutron energiája E o -ról E-re csökkenjen: 1 H (ξ o =1) átlagosan 18,2 rugalmas ütközés szükséges.

53 Atomreaktor, mint hőforrás A hasadt uránmagok nukleárisan kötött energiája felszabadul. A felszabaduló energia nagyobb része (≈84%) a keletkező részecskék kinetikus energiájává (Ek) alakul, kisebb részét (≈16%) a különböző sugárzások viszik magukkal. A fűtőelem-tablettákban a nagy sebességű (kinetikus energiájú) részecskék ütköznek a szilárd fűtőelemben levő részecskékkel, s az ütközésnél a részecskék kinetikus energiája hővé alakul. Végső soron a sugárzási energia döntő része is hővé alakul. A keletkező hőt folyamatosan el kell vonni!

54

55 VVER-440 kazetta (zárt kazettafal)

56 VVER-1000 (összes PWR) kazetta (nincs kazettafal)

57 A reaktor hőteljesítménye A reaktor egy elemi δV térfogatrészéből a maghasadás révén kinyerhető hőteljesítmény: –Σ f makroszkopikus hatáskeresztmetszet, –Φ termikus neutronfluxus a δV térfogatrészben, –q h ≈200 MeV/hasadás=3, J/hasadás

58 A reaktor hőteljesítménye Az atomreaktorok aktív zónája rendszerint henger alakú. Az R sugarú és H magasságú aktív zóna n cs számú hűtőcsatornát (fűtőelem körül, kazetta, aktív zóna), amelyben elvárás az azonos tömegáramú víz:

59 Hengeres atomreaktor hűtőrendszere (a) és hűtőcsatornája (b) [Büki]

60 A hűtőcsatorna-hőteljesítmény és a vonalmenti hőteljesítmény változása a reaktorsugár (R) ill. a reaktorhossz (H) függvényében [Büki]

61 Az üzemanyag-csatorna sugármenti hőmérséklet- eloszlása [Büki]

62 Hűtőközeg, üzemanyag és burkolat hőmérsékletváltozása a forrócsatornában [Büki]

63 A hűtőközeg felmelegedése a reaktor sugara mentén [Büki]

64 6. Atomerőművek Vízhűtésű reaktorok: – nyomottvizes (PWR, VVER), – forralóvizes (BWR, RBMK). Nyomottvizes reaktorok: – radioaktív primerkör, – inaktív szekunderkör. Lényegében gőzerőmű, GK helyett NGR, alacsony gőz kezdő jellemzők, telített és nedves gőz a gőzturbinában, 2-2,5-szer nagyobb munkaközeg tömegáram.

65 Nyomottvizes atomerőmű kapcsolása

66 Forralóvizes atomerőmű kapcsolása

67 Tüzelőanyag Tüzelőanyag: urán-oxid pasztillák (U- 235 (0,72%) dúsítva: 1,6, 2,4, 3,6 (4-4,5) % + U-238 (99,27 %). Kiégési szint (H ü ): kWnap/kg=(2,6-3,4) J/kg=(2,6- 3,4).10 6 MJ/kg (fosszilis: 47-6 MJ/kg), a jelenlegi hasznosítás mellett 5 nagyságrend különbség!

68 Biztonsági filozófia 1./ Kerámia mátrixú pasztillák, o C olvadási hőmérséklettel. 2./ A pasztillák cirkónium-ötvözetű, zárt fűtőelem pálcákban. 3./ A fűtőelem pálcákból kazetták, a kazetták reaktortartályba helyezve, nyomottvizes (nagynyomású folyadékfázisú) víz keringtetése, a kazetták hűtése, a hő elvonása a gőzfejlesztőkben (FKSZ, hurkok, gőzfejlesztők). 4./ Containment vagy hermetikus tér (p max =5 ill. 1,5 bar) a radioaktív szennyeződések kikerülése esetén, egy hurokcső törése esetén az aktivitáshordozók környezetbe való kikerülésének megakadályozása érdekében. 5./ Inherens (önbiztosító) reaktorok: a teljes primerkör nagy bórsav-tartalmú víz alatt, medencében (2. generáció). Az eddigi tapasztalatok: az emberi tévedések a balesetekben, ezért ezek kiküszöbölése.

69 GF T-Q diagram T ki E t v Q T T be Q GF = m g (h 1 -h tv ) Q R = m hv c(T ki -T be ) T S =[P GF ].....

70 Hőkörfolyamat

71 6.3. Nukleáris gőzfejlesztő rendszer NGR (GF, tv-1): a nukleárisan kötött energia felszabadítása a reaktorban, az aktív zónában a keletkező hő elvonása nagynyomású, folyadékfázisú („nyomott”) áramló hűtővízzel ( o C), a hűtővíz lehűtése a gőzfejlesztő csőterében (primerkör), a gőzfejlesztő köpenyterében a vízgőz munkaközeg felmelegítése, elgőzölögtetése (szekunderkör).

72 VVER-440 fekvő gőzfejlesztő

73 Régi tápvíz-elosztóval

74 Új tápvíz-elosztóval

75 PWR álló gőzfejlesztő

76 NGR hőteljesítmény Reaktor: Gőzfejlesztők: η pr =0,99.

77 6.4. Gőzturbina Gőzturbina (1-u, u1-2): a kisnyomású (44-70 bar) telített (ω≈0,005) vízgőz termikus energiájának forgási energiává alakítása. Teljesítmény: η C =0,40-0,45, η irrT =0,80-0,85.

78 η C nem növelhető! p 1 nem növelhető 44 bar (p pr =125 bar, t hv =296/265 o C) ill. 70 bar (p pr =160 bar, t hv =336/305 o C). Megcsapolásos (regeneratív) tápvízelőmelegítés. ω max =0,1-0,15→nedvesség-leválasztás, közbenső túlhevítés frissgőzzel. Végnyomás (p 2 ≈0,03 bar) elérte a határt.

79 VVER-440 CSTH

80 PWR cseppleválasztó

81 6.5. Energetikai jellemzők Generátor, transzformátor (lásd 6. témakör). Kondenzátor-hűtővíz rendszer (lásd 6. témakör) Hatásfok: Fajlagos tüzelőhő-felhasználás:

82 6.6. Környezeti hatások Radioaktív kibocsátás: légköri és folyékony → tisztítás és szigorú ellenőrzés. Radioaktív hulladékok („szemét”): – nagy aktivitású: kiégett fűtőelemek (transzuránok T1/2=millió év) → néhány ország reprocesszálás + hulladék nefelin mártixba és hordóba. PA: KKÁT – kivárás, reménybeli technológia: transzmutáció. – kis és közepes aktivitású (T 1/2 (Co-60)=5,3 év): feldolgozás az AE-ben, PA: 100 m 3 /év blokk, cementmátrix, 200 ill. 400 l hordók, elhelyezés átmeneti tárolókba (Mo: egyelőre nincs.)

83 Atomerőművi kibocsátások

84 PA primerköri kapcsolás

85 K gőzturbina

86 Paksi Atomerőmű

87

88

89

90


Letölteni ppt "7. témakör Villamosenergia-termelés atomerőművekben."

Hasonló előadás


Google Hirdetések