Atomerőműtől a fúziós erőműig. Veres Árpád PhD, DSc, ny. ig.,tudományos tanácsadó, MTA Izotópkutató Intézet 1525 Bp. Pf. 77 e-mail: veres@iki.kfki.hu

Az előadás vázlata Bevezetés (energiahordozók a világ teljes és a hazai villamos-energia felhasználásban). Atommaghasadással működő erőművek. 2.1. Kritikus üzemmódú, atomerőművek. 2.2. Gyorsítóval hajtott szubkritikus üzemű atomerőművek, nukleáris hulladékelégetés. 3. Atommagok fúzióján alapuló erőművek. 3.1. Mágneses plazmabezárás. 2.2. Az inerciális plazmabezárás. 4. Összefoglalás.

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 %);

Népesség (milliárd fő) Megjegyzés, E-ekvivalens A föld népesség és energiaigénye alakulása Év Népesség (milliárd fő) Energiaigény (Gigatonna per év ) Megjegyzés, E-ekvivalens 2001 6 10 (olaj)* *1 Gt olaj ~ 125 erőmű (GW) 2011 7 12 (olaj)* Az energiaigény, becslés 2070 9** (csúcs) 15 (olaj)* **2100-ra 8,4 Mrd fő 2007, ENSZ 191 tagállam. 31-ben 439 atomerőmű üzemelt. A termelt villamos áram: 2,6×1012 kWh; (371,7 GW, benne Paks: 1,86 GW), ami a világ villamos-áram termelésének a 15,1 %-a (IAEA PRIS adatai). Német GBR (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe) becslés: Az energiahordozó ásványi-anyagok „statikus élettartama” (készletek/éves termelés) 2004. 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.

2. Atommaghasadással működő atomerőművek Az U atommagok neutron-befogásos hasadását 1939-ben (Hahn és Strassmann, német kutatók) fedezték fel 1942, december 2, az első önfenntartó láncreakció, Chicagói Egyetem atom-máglya (Enrico Fermi, Szilárd Leó). 1946, aug. 6 és 9, atombomba. 1954 június 27, első atomerőmű, (5 MW) látképe, Obnyinszk, SZU. Sugárzó anyagok felhasználása: 1946, USA; 1950, SzU; 1954, M.O.

235U92+n →137Cs55+ 96Rb37 +3n (1 láncreakciótag) A 90-s és 150-s tömegszámok körül sok más variáció fordulhat elő. 235U 137Cs55 n 96Rb37 235U

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 biztosítani. A nukleáris ipar alapproblémái: a biztonság, a nukleáris hulladékok, a proliferáció-állóság és költségek kérdése. Generáció: 1954-60-s évek prototípus erőművei, 1954, SzU (5MW); 1956, UK (50 MW, majd 200 MW);, 1957, USA (60 MW). Ezek ma már szinte nem üzemelnek. Generáció: 1970-80-s évek erőmű típusai (200-1000 MW). Ebbe a kategóriába tartozik mai atomerőművek többsége. 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).

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 2040. 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:

A paksi atomerőmű blokkok, reaktortest és zóna látképe. 1 reaktorban: 42 tonna urán, 360 kötegben. 1 köteg: 126 pálca. A 4 reaktor: 1860 MW, (13,4 TWó, 37.6 %). Egy g 235U: 23 MWterm. köteg Reaktortest oldalnézet reaktorzóna Zóna felülnézet

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.

A bővítésre szánt blokkok paksi telephelyi elhelyezése, (A A bővítésre szánt blokkok paksi telephelyi elhelyezése, (A. Cserháti, ETE konferencia, Siófok, 2009. június 3-4).

Radioaktív hulladék problémák 2015-ig várhatóan 260 000 t nukleáris hulladék keletkezik. Eloszlása: Transzurán (TrU) és hasadási (Ht) termékek. ~ 70000 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 T1/2 (év) (g/t) 239Pu 24 400 5450* 237Np 2 100 000 450 243Am 7 400 100 245Cm 8 500 1,2 * Össz. Pu : 9 700 Ht. T1/2 (év) (g/t) 99Tc 210 000 810 135Cs 2 300 000 360 129I 16 000 000 170 Ezeknek a hulladékoknak a biztonságos tárolására. átalakítására számos erőfeszítés történt, különös tekintettel a lakossági félelmekre is.

A szubkritikus atomerőművek helyzete: 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 359-444 old. A szubkritikus atomerőművek helyzete:

2.2. Gyorsítóval hajtott szubkritikus atomerőmű, (spallációs magreakció, külső neutronforrás) proton neutron D D n target atommag p p atommagon belüli kaszkádok GeV p hasadás, részecske emisszió Kaszkád képződm., p, n, a, stb. atommagok közötti kaszkádok  b p a erősen gerjesztett atommag elpárolgás maradék mag

Az 1 GeV, 100 mA nyalábáramú protongyorsító blokkdiagramja Gyorsító séma (spallációs neutronforrás) a szubkritikus üzemű atomerőművek hajtására. Az 1 GeV, 100 mA nyalábáramú protongyorsító blokkdiagramja Egy ilyen gyorsítóval hajtott, 2×500 MWt-os erőműben, évenként 400 kg 39Pu és 100 kg aktinoida (TrU) alakítható át (égethető el).

Egy gyorsítóval hajtott szubkritikus atomerőmű japán koncepciója [Takizuka, JAERI-Conf. 99-003, 150, 1999] Szupravezető lineáris protongyorsító Protonnyaláb 1 GeV - 33 mA CW 100 MWe Gőzgenerátor Hálózatra 230 MWe 820 MWt Nyalábablak gőzturbina Spallációs target Váltóáramú generátor Szubkritikus zóna Szekunder Na pumpa Primer Na pumpa Keff = 0,95

USA 70000 tonna kiégett fűtőelem elválasztása USA 70000 tonna kiégett fűtőelem elválasztása. Az alsókeretben az ATW égető (középkör) 70000 t szétválasztása: 67000 tonna urán, 600 tonna TrU és 2400 tonna hasadási termék. A 67000 t U feldolgozása új fűtőelemmé. Ez a tekintélyes mennyiség növeli az alap-anyag tartalékot. 600 t TrU és 2400 t hasadási termék a szubkritikus erőmű fűtőeleme. Ez 300 tonnára, 1/10-ére csökken. ATW áramtermelése: 560 GW-év + 10 % APT gyorsító üzemeltetés. (Paksi termelés: 1,6 GW-év ennek kb. a 350-ed része).

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: 86317 tonnára nő, amelyben transzuránokon kívül 93 t 99Tc és 20 t 129I a hasadási termék. Az 560 GW-év 800 GW-év lesz 2100-ra.

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: Gáz Plazma* Szilárd Folyékony *Plazma-állapotban a részecskék mozgási energiája sokkal nagyobb az atomi kötésnél. Az ütközéseknél az atommagról leszakadnak az elektronok és atommagok gázkeveréket alkotnak.

Fúziós-plazma bezárási modellek Gravitációs bezárás – asztrofizikai környezet. 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: 1012-1016 cm-3, és a lineáris mérete, pedig rendkívül nagy: 10-1000 cm. 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: 1025-1027 cm-3 és a lineáris méret, pedig igen kicsi: 1-100 μm.

* 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 fúziónál 77 millió C° (küszöb-energia). Mágneses bezárásnál a plazma kialakulás és fennmaradás fel-tétele: az n részecskesűrűség és a t élettartam szorzata az nagyobb kell, hogy legyen a Lewson kritikus értéknél: n·t > 1014 s·cm-3 *

Mágneses, lézeres plazmaméretek és a fúzió A Tokamak alapvető részei: tórusz alakú vákuumkamra, toroidális tekercs, transzformátor és további kiegészítő tekercsek. Nagy plazmaméret: 01-10 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

Kapszula (hohlraum) és a DT gömb a gyújtáshoz Kapszula (hohlraum) és a DT gömb a gyújtáshoz. (UCRL-5200-01-11, December 30, 2001) Indirekt fúzió, kapszulafűtés több millió hőfokra, ion és nehézion nyalábbal. Probléma a kis hatásfok. Direkt fúzió: Fókuszált lézer gyújtja a reakciót. Gyors direkt fúzió: Az összenyomás kis E.-ás lézerekkel történik.

Indirekt gyújtás, Nova lézer target-kamra Ø: 4,5 m, 10 lézer nyaláb (a göböcske kapszulában) Nova lézer target-kamra Ø: 4,5 m, 10 lézer nyaláb NIF target-kamra Ø:10 m, 192 lézer nyaláb

Lézer (inerciális) és mágnes bezárásos reaktormodulok A KOYO-F lézerrel hajtott erőmű gyors-gyújtású reaktormodul keresztmetszeti nézete. 32 összenyomó lézernyaláb, egy gyújtólézer és két target belövő vezeték. A TD gömb (középen) 150×-s nagyítású. 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 évi üzem ktg. ~ 5 Mrd $.

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/imp 200 MJ Reaktor ism 4 Hz Lézer ism 16 Hz Burok E.× 1,2 Wel/Wth hf. 41,5 % Recirk. E 240MW Gekko XII 2001 gyf. Japán- Brit kcs

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: 300-400 g/cm3.

High Average Power Laser Program (HAPL) USA. (8 labor, 4 egyetem, 6 vállalat)

A HAPL program folyamatának és fázisainak leírása Indult 2001-ben, a kritikus részek (targetgyártás, belövés, optika és fúziós kamra) kutatás-fejlesztésével. I. fázis. Komponensek egységekké fejlesztése (2006). II. fázis. A működésképesség demonstrálása, erőmű üzemelési körülmények között (2006-2012). III. fázis. Folyamatos termonukleáris égést produkáló eszköz tesztje. 300 µm Ø, 1000 gcm-3 20 °K labdacs. Fúzió ~ 10 M°C. 2020. év. Alapadatok: 1750 MW, 5 Hz; Kamra Ø: 11 m; a belső falvastagság: 3,5 mm; Belépő folyékony lítium: 405 C°, a kilépő hőmérséklet:575 C°. Az áramlási sebesség: külső 3,7 m/s; belső: 0,15 m/s. A wolframburkolat maximális hőmérséklete <2400 C° lehet.

A fúziós erőmű T és D üzemanyag igénye 1 GW teljesítményű erőmű által 1 év alatt termelt energia. E1 = 109×365×86400 s = 3,15×1016 J Egy molekula) DT fúziójánál 17,6 MeV energia keletkezik, ami = 17,6×106×1,6×10-19 =2,8×10-12 J. 1 mol (6×1023 db). E2 = 2,8×10-12×6×1023 =1,68×1012 J. E1/E2 ≈ 2·104 mol  40 kg D és 60 kg T. Az USA-ban 1955-1996 között 226 kg tríciumot termeltek. Egy 600 MW erőmű primer hűtőköri lítiumból 16,9 kg T/év termelhető (önköltségi ár: 4 500 000 $/kg). A 60 kg T ára: 270 millió dollár, ez 1 kWó áram költségében ~ 3 cent~ 6 Ft (Paks 11,16 Ft/kWó). A deutérium vízben: 1/6000, korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre, költsége a tríciumhoz képest minimális.

A fúzió másodlagos folyamatai 3H(2H,nγ)4He reakció sémája (VÁ, Japán ea., részlet, 1977) Az 1000 MW energiát 3×1020 fúzió/s állítja elő. A fúziót kísérő n és  hozambecslések: Neutron: ~ 3×1020 n/s. *: 3×1020×5,6×10-5 ~ 1,7×1016 /s. A Li, C, stb. hűtőközeg (n,), Ekin+Eköt >10 MeV **: ~ 3×1016 /s. Össz-: ~ 4,7×1016/s. A 10 MeV feletti -k a védőközegben (,n)-el foto-neutront keltenek. Foto-neutron hozam: 1012n/s. TD; 17,6 MeV Gg/Gn= 5,6×10-5 Gg, 16,7 MeV Gn,14, 1 MeV α3,5 MeV -0,9 MeV 5He 4He

4. Összefoglalás A kritikus üzemmódú 3. generációs atomerőmű-blokkok 20-40 éves hazai meghosszabbítása várható. 4. generáció, zárt üzemanyaglánc (kiégett fűtőelem újra feldolgozása, a kivont U és Pu új fűtőelemként felhasználása). Sok a tisztázatlan kérdés. Úgy véljük, hogy érdemben nem tudják befolyásolni a nukleáris energetika jövőjének alakulását. A szubkritikus, gyorsítóval hajtott atomerőművek piaci elterjedése a 2050-s évekre várható. Előnyei: Lekapcsolhatók, a veszélyes nukleáris hulladékok rövid életűekké átalakíthatók, (elégethetők).

4. Összefoglalás folytatása A jövő atomerőművének gondolom. 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 erőművek: KOYO-F, HiPER, HAPL, a tapasztalatok rendkívül biztatóak, erőműként megjelenése a 2030-as évekre tehető. A jövő atomerőművének gondolom.

www.iki.kfki.hu Köszönöm a figyelmet!