Villamosenergia-termelés nyomottvizes atomerőművekben

Az előadások a következő témára: "Villamosenergia-termelés nyomottvizes atomerőművekben"— Előadás másolata:

1 Villamosenergia-termelés nyomottvizes atomerőművekben
6.5. témakör Villamosenergia-termelés nyomottvizes atomerőművekben

2 Tartalom 1. Vízhűtésű atomerőművek. 2. Atomreaktor, mint hőforrás.
3. Nukleáris gőzfejlesztő rendszer. 4. Gőzkörfolyamat. 5. Energetikai jellemzők. 6. Környezeti hatások. 7. EPR reaktor.

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

4 Nyomottvizes atomerőmű kapcsolása

5 Forralóvizes atomerőmű kapcsolása

6 2. 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!

7

8 VVER-440 kazetta (zárt kazettafal)

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

10 A reaktor hőteljesítménye
A reaktor egy elemi δV térfogatrészéből a maghasadás révén kinyerhető hőteljesítmény: Σf makroszkopikus hatáskeresztmetszet, Φ termikus neutronfluxus a δV térfogatrészben, qh≈200 MeV/hasadás=3, J/hasadás

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

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

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

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

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

16 A hűtőközeg felmelegedése a reaktor sugara mentén [Büki]

17 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 (Hü): kWnap/kg=(4,5-6).1012 J/kg=(4,5-6).106 MJ/kg (fosszilis: 47-6 MJ/kg), a jelenlegi hasznosítás mellett 5 nagyságrend különbség!

18 Biztonsági filozófia 1./ Kerámia mátrixú pasztillák, oC 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 (pmax=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 (3. generáció). Az eddigi tapasztalatok: az emberi tévedések a balesetekben, ezért ezek kiküszöbölése.

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

20 PA primerköri kapcsolás

21 VVER-440 fekvő gőzfejlesztő

22 Felső tápvíz-bevezetéssel

23 PWR álló gőzfejlesztő

24 GF T-Q diagram . Tki E tv Q T Tbe QGF = mg(h1-htv) QR = mhvc(Tki-Tbe)
TS =[PGF] .

25 4. Gőzkörfolyamat 1TH u1 u’’ 1’’ Sz u x 1 TH T1 T2 u’ (1-x) 2 tv
Tápvízelőmelegítés 2’

26 K-220-44 gőzturbina elvi kapcsolása
KSZ CS TH TH2 GTT NX12 3 db KSZ pótvíz NX01 KT NX02 NX08 NX11 NX06 NX07 NX10 Leiszapolás NX13 5 db CSH AH N2H4 2 db K GF E E E6 E E E E E1 CSUH NNY KNY

27 Hőkörfolyamat

28 NGR hőteljesítmény Reaktor: Gőzfejlesztők: ηpr=0,99.

29 Gőzturbina tengelyteljesítmény
Gőzturbina (1-u, u1-2): a kisnyomású (44-70 bar) telített (ω≈0,005) vízgőz termikus energiájának forgási energiává alakítása. Teljesítmény: ηC=0,40-0,45, ηirrT=0,80-0,85.

30 ηC nem növelhető! p1 nem növelhető 44 bar (ppr=125 bar, thv=296/265 oC) ill. 70 bar (ppr=160 bar, thv=336/305 oC). Megcsapolásos (regeneratív) tápvízelőmelegítés. ωmax=0,1-0,15→nedvesség-leválasztás, közbenső túlhevítés frissgőzzel. Végnyomás (p2≈0,03 bar) elérte a határt.

31 VVER-440 CSTH

32 PWR cseppleválasztó

33 5. Energetikai jellemzők
Generátor, transzformátor (lásd 6.1. témakör). Kondenzátor-hűtővíz rendszer (lásd 6.1. témakör) Hatásfok: Fajlagos tüzelőhő-felhasználás:

34 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 (T1/2 (Co-60)=5,3 év): feldolgozás az AE-ben, PA: 100 m3/év blokk, 200 ill. 400 l hordók: szilárd → tisztaság, szervezeti intézkedésekkel, folyékony cementmátrix?, elhelyezés átmeneti tárolóba (Mo: Bátaapáti).

35 Paksi Atomerőmű

36 Paksi Atomerőmű

37 Paksi Atomerőmű

38 Paksi Atomerőmű

39 Paksi Atomerőmű

40 Reaktorok generációja

41 7. EPR reaktor

42 Adatok Termikus teljesítmény: 4200/4500 MWth,
Villamos teljesítmény: 1600 MWe, Hatásfok: %. Primerkör: 4 hurok, 241 üzemanyag-kazetta, összesen 128 t UO2, 89 szabályozó és biztonságvédelmi rúd, üzemi nyomás: 154 bar, be/kilépő hőmérséklet: 296/327 oC. Szekunderkör: kilépő telített gőz: 78 bar/290 oC, Gőzturbina: 1 db nagy- és 3 db kisnyomású turbina ház.

43 Biztonsági filozófia Dupla falú hermetikus védőépület, (nagy utasszállító repülőgép rázuhanására méretezve) Megakadályozni a telephelyen kívüli következményeket. Javítani a balesetek megelőzését szolgáló rendszereket: Egyszerűsítés, fizikai szeparáció, emberi hibák lehetőségének csökkentése. Zónasérülés valószínűsége / év, de a zónasérülés sem jelent nagy kibocsátást Súlyos balesetek esetén csökkenteni a következmények súlyosságát (konténment hűtése, zónaolvadék felfogása és hűtése, talapzat hűtése alulról).

44 Versenyképesség Az elektromos áram termelési költsége az EPR-rel várhatóan 10%-kal alacsonyabb, mint a jelenlegi atomerőművekben, 20 %-kal alacsonyabb, mint a jelenleg fejlesztés alatt álló legnagyobb kombinált ciklusú gázerőművekben. Az externális költségeket (CO2-adó) beszámítva az arány még kedvezőbb. A versenyképesség okai: 1600 MWe-os, nagy teljesítményű blokkok; 36-37%-os hatásfok (ez a legmagasabb a vízhűtésű reaktorok között); rövid konstrukciós idő (építés megkezdésétől a normál üzemig optimális esetben akár 48 hónap); 60 évre tervezett élettartam; Akár 92% rendelkezésre állás (hosszú üzemanyag-ciklusok, rövid leállások, és üzem közbeni karbantartások).