Reaktortechnika Az energetikai atomreaktorok szerkezeti felépítése

Az előadások a következő témára: "Reaktortechnika Az energetikai atomreaktorok szerkezeti felépítése"— Előadás másolata:

1 Reaktortechnika Az energetikai atomreaktorok szerkezeti felépítése

2 Tartalom Komponensek – elnevezések Kapcsolási sémák
Fűtőelemek és fűtőelemkkötegek Energetikai reaktortípusok Nyomottvizes reaktorok Elgőzölögtető reaktorok Nehézvizes reaktorok Egyéb reaktortípusok

3 Atomerőmű - Atomreaktor
Atomerőmű: magreakciók felhasználásával villamos energiát szolgáltató létesítmény Reaktor: Az a berendezés, ahol a magreakciók lejátszódnak Blokk: Egy reaktor és a hozzá tartozó gépészeti és villamos berendezések összessége

4 Komponensek - Üzemanyag
A fertilis és hasadóanyagot tartalmazza Hasadóanyagok: 235U, 233U, 239Pu, 241Pu Fertilis anyagok: 238U, 232Pu, 240Pu Általában kerámia (UO2), régebben fém, esetleg karbid (UC) Általában pasztilla Speciális esetek: Golyóágyas reaktor sóolvadék

5 Komponesek - Fűtőelem Az atomreaktor legkisebb elszigetelt része
Az üzemanyagpasztillák és az őket tartalmazó hermetikusan lezárt fémcső Anyaga manapság cirkónium, régebben acél Összetett követelmények: Neutronabszorbció Mechanikai tuljdonságok Hermetikus zártság

6 Komponensek - Moderátor
Nagy sűrűségben kis tömegszámú magok A hasadásban keletkező gyors neutronok lelassítása termikus szintre Legyen Jó lassítóképesség Kevés abszorbció Csak termikus reaktorokban Rendszerint H2O, D2O, C, esetleg Be Hűtéséről gondoskodni kell Ne legyen benne abszorbens (Pl. bór)

7 Komponensek - Hűtőközeg
Feladata a szerkezeti elemek, mindenek előtt fűtőelemek hűtése A hő elszállítása további hasznosításhoz Folyadékok: H2O, D2O, folyékony fémek Gázok: CO2, He Elgőzölgéssel (forralóvizes reaktor) vagy anélkül (nyomottvizes) Esetenként azonos a moderátorral

8 Komponensek - Hűtőcsatorna
A fűtőelemek közötti térrész, ahol a hűtőközeg áramlik Lehet zegzugos alakú (golyóágyas reaktor) Ekvivalens csatorna

9 Komponenesek - Fűtőelemköteg
Más néven kazetta Fűtőelemek négyzet vagy háromszögrácsban Esetleg körülveszi kazettafal (palást) A legkisebb önálló egységként mozgatható komponens Többnyire néhány száz fűtőelem

10 Komponensek - Szabályozás
Erős (termikus) neutronabszorbens Feladata Szabályozás Reaktivitástartalék lekötése Formája lehet Mozgatható rúd vagy kazetta Fixen beépített elem (kiégő méreg) Hűtőközegben feloldva (bórsav)

11 Komponensek – In core műszerek
A reaktoron belül elhelyezett mérőberendezések Neutronfluxus SPND-vel (self powered neutron detector) Neutronfluens aktivációs detektorokkal Hőmérséklet termoelemekkel

12 Komponensek – Aktív zóna
Az önfenntartó láncreakció megvalósulásának helye Együttesen a Fűtőelemkötegek Moderátor Hűtőközeg Reaktivitáskompenzáló és szabályozóelemek

13 Komponensek - Reflektor
Az aktív zónát veszi körbe Visszaszórja a kiszökő neutronokat Anyaga: mint a moderátorok Komponensek – Termikus védelem Az aktív zóna és a reaktortartály között Csökkenti a tartály sugárkárosodását A reflektor is lehet

14 Komponensek - Reaktortartály
Az aktív zónát és kisegítő elemeit tartalmazza Megfelelő nyomásra tervezett Hűtőközeg ki- és bevezetések Kábelek, csövek tomített átvezetése

15 Néhány fontos fogalom Aktív alkatrész: reaktoron kívülről irányított vagy működtetett (szelep, szabályozórúd, stb) Passzív alkatrész: funkciójának teljesítéséhez nincsen szükség külső működtetésre (tartályok, csövek, hőcserélők, hasadási tárcsák) Passzív védelem: olyan védelmi mechanizmus, ami csak a passzív alkatrészek működésén és alapvető természeti törvényeken (nyomáskülönbség, természetes cirkuláció, stb) alapszik Inherens biztonság: nem kívánatos jelenség maga váltja ki a lassítására és visszafordítására ható folyamatokat – passzív védelmen alapul

16 Hűtés és moderátor Elgőzölögtető Nyomottvizes Forrás szerint Víz Egyéb
Hűtőközeg Nyomott tartályos Nyomott csöves Nyomás kezelése Különféle moderátorok: könnyűvíz nehézvíz grafit gyorsreaktor

17 Kapcsolási sémák - Egykörös
A reaktor hűtőközege közvetlenül hajtja a turbinát, pl. a hűtővíz felforr A turbina radiaktívan szennyezett munkaközeget kaphat

18 Kapcsolási sémák - Kétkörös
A reaktor hűtőközege és a turbina munkaközege elkülönül – csak a hőcserélő a kapcsolat

19 Kapcsolási sémák - Másfélkörös
Hűtővíz felforr Gőzszárítás a különálló gőzdobban Az egykörösnek egy speciális esete

20 Kapcsolási sémák – Kétkörös, külön moderátorkörrel
Lényegében azonos a kétkörössel Az elkülönült moderátort is hűteni kell

21 Kapcsolási sémák - Háromkörös
A reaktor hűtőrendszerét és a hőerőgépet egy újabb kör választja el

22 Reaktortípusok Típus Moderátor Hűtőközeg H.Közeg forr? Szerkezet
Elnevezés (Példa) Nyomottvizes Könnyűvíz Nem 2 kör, Ny. Tartály PWR, VVER (Biblis, Paks) Forralóvizes Igen 1 kör, Ny. tartály BWR (Barsebäck) Nehézvizes Nehézvíz Ny. Csövek CANDU (Cernavoda) Forralóvizes csatornareaktor Grafit 1,5 kör, RBMK (Csernobil) Fémhűtéses gyorsreaktor Nincs Nátrium - 3 kör, Superphénix, Monju Gázhűtésű CO2, He Magnox, AGR, HTGR

23 Fűtőelemek és fűtőelemkötegek
Az atomreaktor legjobban igénybevett komponense Tervezési szempontok Reaktorfizikai szempontból megfelelő geometria, anyagok (abszorbció) Hőátadási, hővezetési és hűtőközegáramlási szempontból megfelelő geometria és anyagválasztás Hermetikusság – mindent benntartani, üzemi, tranziens és üzemzavari szituációkan is Gyártástechnológia Gazdaságosság

24 Fűtőelemek Manapság már kizárólag henger alakú
Régebben síklapok Kerámia pasztillák (UO2) Régebben fém és karbid is volt Burkolat cirkónium Csekély neutronabszorbció Jó mechanikai tulajdonságok Sugárállóság Régebben acél

25 Fűtőelemek Pasztillák kb. 1cm x 1cm A hőterheléstől kihasasodnak
Homorú felülettel gyártják Hasadási termékek – a „mátrix” megfogja Furat a pasztillában A hasadási gázoknak hely kell Hőtechnikailag hasznos

26 Fűtőelemek LWR VVER-440 RBMK Hosszú csőben pasztillák Rugó szorítja le
Hermetikus lezárás Profilirozás lehet – a dúsítás axiálisan változik Kiégő mérgek reaktivitáslekötésre – Gd2O3

27 Kötegek A fűtőelemek mechanikai összetartása
Hőtechnikai, termohidraulikai feltételek Kiégő mérgek elhelyezése Műszerezettség, detektorok elhelyezése Fűtőelemek védelme az esetleges törméléktől, stb. Megfogási lehetőség Állapotellenőrzés, szétszerelhetőség – nagy aktivitásnál is Azonosíthatóság

28 Kötegek - BWR Négy kötegből álló blokkok Közöttük szabályozólemezek
Kihúzott szabályozónál a helyén víz – termikus csapda - profilírozás

29 Kötegek - BWR Siemens Középen vízcsatorna

30 Kötegek - PWR Négyzetes elrendezés
Az abszorbensek fésűszerűen nyúlnak be a kazettába – egyes pozíciókban nincsen pálca Nincsen külső burkolat – régebben volt Távtartó rácsok, keverők, törmelékfogók

31 Kötegek - PWR Siemens Fej leszerelhető Pálcacsere lehetősége
Fejlesztés iránya: növelni a kiégetést

32 Kötegek – VVER-440 „Szovjet PWR” Háromszögrács Hatszögletes alak
Fésűs abszorbens helyett szabályozó- és követőkazetták Kazettaburkolat – még Törmelékfogó rács nincsen A VVER-1000 a PWR kazettákra hasonlít, de hatszöges

33 Kötegek – Nyomottcsöves reaktorok
CANDU RBMK A fűtőelemet közvetlenül körülveszi a nyomástartó cső Célszerű henger alakúnak lennie A moderátor a nyomott csövön kívül van Szorosan elhelyezett pálcák Körkörös elrendezés CANDU moderátor és hűtőközeg gázzal elválasztva a calandria CANDU

34 Nyomottvizes reaktor Két elkülönült hűtőkör
A primer körben a hűtővíz nem forr

35 Hagyományos PWR Felépítés Víz útja Zónpalást, zónakosár
Leszálló akna, Termikus védelem Reaktortartály Víz útja Belépő csőcsonk Leszálló akna Tartályfenék Kazetták Felső keverőtér kilépő csőcsonk

36 Hagyományos PWR Szabályozók felülről hajtva
Részhosszúságú szabályozórudak Xenonlengés kezelésére Nagy reaktivitástartalék Bórsavas szabályozás Kiégő mérgek

37 VVER-440 Magyarországon is üzemel
Reaktortartály magasabb – Követőkazetták Ki- és belépő csőcsonkok egymás felett

38 Továbbfejlesztett PWR-ek
A reaktorok teljesítményének növekedése megállt Hálózatszabályozási és gazdasági okokból Új törekvések Biztonság, passzív védelem (Csernobil) Változó terhelésvitel Gazdaságosság Egységesítés Engedélyezés és építés gyorsítása Élettartam növelése A radioaktív hulladékok mennyiségének csökkentése Ember-gép kapcsolat, szakértői rendszerek Az EPR is ilyen (Finnország, Franciaország)

39 Elgőzölögtető reaktorok (BWR)
Kisebbségben maradtak a PWR-ek mellett Egykörös séma Léteznek természetes cirkulációs verziók is

40 Elgőzölögtető reaktorok (BWR)
Gőzszárító az aktív zóna felett Szabályozás hajtása az aktív zóna alatt A víz gőztartalma axiálisan változik Moderáltság nem egyenletes Nagy a jelentősége a kiégő mérgeknek – bórsav nem használható

41 Elgőzölögtető reaktorok (BWR)
Recirkulációs kör (30%) Vízsugárszivattyú

42 Nehézvizes reaktorok A nehézvíz
Drága Lassítóképessége gyengébb Befogási hatáskeresztmetszete kisebb Takarékoskodni, kímélni a szennyezéstől Hőerőgépben nem használják - kétkörös Nagy méretű aktív zóna Természetes uránnal is építhető Nyomott tartályos változat ritka (nagy tartály kell) Nyomott csöves megoldás terjedt el (CANDU)

43 CANDU Hűtőközeg és moderátor elválasztva Cirkónium hűőcsövek
nagy nyomás – vastag fal Calandriatartály nem visel nyomást Moderátorhoz hűtőrendszer szükséges A csövek felében ellenkező irányú áramlás egyenletesség

44 CANDU Vízszintes aktív zóna Rövid fűtőelemek
Gyors cserélhetőség Átrakás üzem közben Csekély reaktivitástartlék Gázréteg a nyomott cső és a moderátor között Csökkenti a hőveszteséget

45 CANDU Üregtényező pozitív Reaktivitástartalék kevés
Szabályozórudak vízszintesen Könnyűvíztartalmú csatornák (itt méreg) GdNO3 befecskendező rendszer Rendkívül rugalmas üzemanyaggazdálkodás (dúsítás nélkül, reprocesszált, fegyverplutonium)

46 Egyéb típusok – Gázhűtéses (Magnox, HTGR)
Hűtőközeg CO2 (korrozív) vagy He Grafitmoderátorral vagy anélkül Pebble bed reaktor – jó proliferációs tulajdonságok Tenyésztésre is alkalmas (Th)

47 RBMK Az egyetlen Urán – Graft – Könnyxűvíz reaktor Csatornás szerkezet
Nagyon jó gazdasági adatok Katonai megfontolások Fegyverplutonium gyártására rendkívül alkalmas Biztonsági problémák Pozitív üregtényező Csernobil Nyugaton leállították az ilyen a reaktorokat

48 Gyorsreaktorok Hatékony tenyésztők: ~1.2 tenyésztési tényező
Nátriumhűtés Három hűtőkör Technológiailag nagyon bonyolult Többségüket leállították (Nátriumtűz)