Atomenergia-termelés Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Dr. Sükösd Csaba egyetemi docens, tanszékvezető XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Emberi ujjperc (~0,01 m) tízezerszer kisebb sejt (~0,000 001 m) tízezerszer kisebb atomok (~0,000 000 000 1 m) tízezerszer kisebb atommagok (~0,000 000 000 000 01 m) Kicsik, de fontosak! A testek súlyát (tömegét) a bennük lévő atommagok adják! Az anyag roppant „üres” ! (Elektronok „tartják távol” az atommagokat) Ha egy emberben lévő atommagokat egymás mellé helyeznénk, a mérete gombostűfejnél kisebb lenne! (De a súlya a mi súlyunk lenne!) XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Az atommagok is összetett részek: még kisebb részecskékből, protonokból és neutronokból állnak. Ezek azonban szorosan összesimulva helyezkednek el az atommagban Erősen vonzzák egymást (de csak ha közel vannak) A neutronok elektromosan semlegesek (jó „ragasztóanyag”) A protonok elektromosan is töltöttek ( + töltésük van), ezért taszítják (is) egymást (ha távol vannak, akkor is!) Sok protont tartalmazó atommagba több neutron kell, hogy kötésükkel ellensúlyozzák a protonok taszító hatását. A Földön a legtöbb proton az urán atommagjában van: 92 db. XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Két fajta „stabil” urán atommag is van: a 235U, és a 238U. 235U: 92 db proton+143 db neutron 238U: 92 db proton+146 db neutron A természetes uránban az arányuk 1:140, azaz minden 140-edik uránmag 235U, a többség pedig 238U. (0,71% 235U, 99,29% 238U) A maghasadás jelensége: neutron+ 235U két kisebb atommag + 3 neutron + energia XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága A legtöbb atommag (a 238U is) csak elnyeli a neutronokat, de nem hasad el. Csak a 235U ilyen különleges ! DE: Nem minden neutron hasítja el a 235U-t sem! El is nyelődhet, és van, amelyik csak „elrepül” mellette. Annál valószínűbb a hasadás, minél hosszabb ideig tartózkodik a mag közelében!! Probléma: a maghasadáskor keletkezett neutronok részesülnek a felszabaduló nagy energiából, tehát nagyon gyorsak. Nagy sebesség rövid ideig van a mag mellett! NEM JÓ ! Megoldás: neutronok lelassítása. Moderátor anyag (víz, nehézvíz, grafit) XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága A láncreakció (Szilárd Leó ötlete): a maghasadáskor keletkezett neutronokat újabb maghasadás kiváltására használjuk, így a számuk gyorsan megsokszorozódik. (pl. 1, 3, 9, 27, 81, 243, 729, 2187, …) Ez mértani sorozat: 3n. Ha a hányados k, akkor kn szerint változik XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága A hasadáskor átlagosan keletkező neutronok száma = 2,4. Ha minden keletkező neutron hasítana, akkor k = 2,4 lenne ! Nem minden keletkező neutron okoz azonban hasadást ! Elnyelődhetnek pl. a 238U-ban, de a reaktorban lévő egyéb anyagokban is (még a moderátorban is), vagy addig bolyonganak, amíg kiszöknek a reaktorból! „Neutronháztartás” A tényleges neutron sokszorozási tényező: k = (Ni+1/Ni), ahol Ni+1 és Ni két, egymást követő neutron-generáció neutronszáma. >1 növekszik (szuperkritikus) k =1 állandó (kritikus) <1 csökken (szubkritikus) XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága szuperkritikus szubkritikus XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Keletkezés (hasadás) Kiszökés Elnyelődés A láncreakció befolyásolása (1) Keletkezés (hasadás): ~ 235U atommagok összes száma ~ térfogat felület felület felület Kiszökés aránya: ~ ~ keletkezés összes 235U térfogat oldalhossz felület térfogat 1 6 1 2 4 x 6 8 x 1 2x akkora reaktor 4x akkora felület, 8x annyi 235U (térfogat), ezért a kiszökés aránya felére csökken! A kiszökés aránya tehát a rendszer méretének növelésével csökkenthető. „Kritikus méret, kritikus tömeg” XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Keletkezés (hasadás) Kiszökés Elnyelődés A láncreakció befolyásolása (2) Elnyelés/hasadás aránya: neutron-elnyelő anyagok változtatásával, a hasadás valószínűségének növelésével 235U/238U arány növelése (dúsítás) neutronok lassítása (neutronlassító közeg, moderátor) szabályozó rudak, vízben oldott bórsav víz, nehézvíz, grafit Az önfenntartó láncreakció megvalósíthatósága: Üzemanyag Moderátor természetes urán (0,71% 235U) nehézvíz, grafit kicsit dúsított urán (3-5% 235U) könnyűvíz erősen dúsított urán (90% 235U) nem szükséges XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága A hőtől a villamos áramig Atomerőmű, mint hőerőmű Maghasadás (emlékeztető) neutron+ 235U két radioaktív atommag + 3 neutron + energia láncreakció Atomreaktor fontos részei üzemanyag (dúsítás..) moderátor szabályozó elemek hűtő- és hőhordozó közeg (energia) sugárvédelmi fal (radioaktivitás) láncreakció Építsünk atomerőművet! (internet) XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Az atomerőművek előnyei (1) 1) Sűrű energia: maghasadáskor sokmilliószor annyi energia szabadul fel, mint a szén, olaj, vagy földgáz elégetésekor Következmények: Bányászat olcsó, kisebb kockázatú ~2 millió tonna (21000 vasúti kocsi) b) Szállítás olcsó szén c) Nagy tartalék készle- tek halmozhatók fel: Független energia- ellátás olaj ~1,3 millió tonna (10 millió hordó) urán ~30 tonna UO2 (1 vasúti kocsi) d) Hulladék kisebb mennyiségű XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Az atomerőművek előnyei (2) 2) Környezetbarát: atomerőművekben nem keletkezik üvegházhatást okozó gáz (széndioxid). Kyotó Egyezmény vállalásai csak atomerőművekkel teljesíthetők 3) Olcsó: az összes többi energiatermelési móddal összehasonlítva az egyik legolcsóbb (a földgáztüzelésű erőművek kb. ilyen olcsók még) 4) Földrajzi adottságoktól függetlenül telepíthető: pl. vízerőmű, szélerőmű, napenergiával működő erőmű nem ilyen 5) Pillanatnyi klimatikus hatásoktól függetlenül működik: pl. szélerőmű, napenergiával működő erőmű nem ilyen XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága A nukleáris üzemanyag-ciklus járulékos problémái Aki dúsítani tud, az 90%-ra dúsított uránt is tud készíteni (atomfegyver készítése) Normál üzem/üzemzavar Nukleáris balesetek Az újrafeldolgozás során plutónium is kinyerhető! (bomba) Hosszú időre biztonságosan kellene megoldani XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Atomerőművek radioaktív kibocsátása Többszintű védelem: Pasztillák (megkötik a keletkező anyagokat) Üzemanyag pálcák (hermetikusan lezárva) Nyomásálló reaktor-tartály Biológiai védelem (konténment) XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Atomerőművek biztonsága (1) Láncreakció megszaladása elleni védelem: a láncreakcióhoz moderátor szükséges! Ha víz a moderátor, akkor biztonságos, hiszen: Ha növekszik a láncreakció sebessége… …növekszik a hőmérséklet… …elforr a víz, nem lesz moderátor… …leáll a láncreakció. Önmagától, közbe sem kellett avatkozni !! (nem tud „elromlani”) XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Atomerőművek biztonsága (2) Ha ilyen jó, akkor mi történt Csernobilban? Csernobilban a moderátor grafit volt, mint az első atommáglyánál Grafitmoderátoros, vízhűtésű reaktor A víz csak hűtést (energiaszállítást) végzett, és ezért nem volt moderátor szerepe, de valamennyi neutront elnyelt !!! XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Atomerőművek biztonsága (3) Ha grafit a moderátor és vízzel hűtünk (Csernobil) akkor: Ha növekszik a láncreakció sebessége… …növekszik a hőmérséklet… …elforr a víz, nem nyel el annyi neutront (a grafit moderátor ott marad!)… …a láncreakció még gyorsabbá válik !! Instabil üzemállapot !! Ez sem volt azonban atombomba-robbanás, „csak” hőrobbanás (kazán) XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Radioaktív hulladékok Csoportosítás: kis- és közepes aktivitás Aktivitás szerint: nagy aktivitás (pl. kiégett fűtőelemek) Rövid felezési idejű (< 30 év) Felezési idő szerint: Hosszú felezési idejű (> 30 év) XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Radioaktív hulladékok elhelyezése (1) Kis- és közepes aktivitású, rövid felezési idejű hulladékok (felszín közeli) XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Radioaktív hulladékok elhelyezése (2) Nagy aktivitású, hosszú felezési idejű hulladékok (mély geológiai tárolás) Stabil geológiai réteg - földrengésmentes hely távol a talajvíztől „öngyógyuló” kis sebességű vándorlás Megvalósított/tervezett - gránit (Finnország, Svédország) sóbánya (Németország) Yucca hegység (USA) XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Radioaktív hulladékok szállítása (1) A radioaktív anyagokat nagy konténerekben szállítják A különleges szilárdság elérésre ezeket egyetlen darabból sajtolják XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Radioaktív hulladékok szállítása (2) A nagyközönséget a szakmai tesztek nem győzték meg a konténerek biztonságáról, ezért egy valódi vasúti katasztrófát rendezett meg Angliában a CNGB A konténereket nagy mechanikai megterhelést jelentő teszteknek (pl. ejtési teszt) vetik alá. Egy konténert elhelyeztek a brit vasúttársaság egy kocsiján (amilyenen a szállítás történik) XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Radioaktív hulladékok szállítása (3) A kisiklatott kocsinak egy vezető nélküli vonatot ütköztettek. A vonat automatikus gyorsítással 160 km/h sebességet ért el, mire az ütközés bekövetkezett. Biztonságos távolból a sajtó kép- viselői is figyelték a katasztrófát. A mozdony vonóhorga éppen a konténert találta el a borzalmas erejű ütközésben. XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Radioaktív hulladékok szállítása (4) A konténer belsejében uralkodó túlnyomás mindössze 0,26%-al csökkent. Ez azt jelenti, hogy csak elhanyagolható mennyiségű radioaktivitás került volna a környezetbe a baleset alkalmával, ha a konténer ténylegesen radioaktív anyagot tartalmazott volna. Az ütközést követő mérések igazolták, hogy a konténer még egy ilyen erejű katasztrófa esetén is biztonsággal megvédené a környezetet a radioaktív szennyezéstől. Ezek alapján már a nagyközönség is meggyőződhetett arról, hogy a radioaktív anyagok szállítására szolgáló konténerek biztonságosak XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25

Atomenergia-termelés A reaktorok működése, szerkezete és biztonsága Köszönöm a megtisztelő figyelmet! XXVIII. Országos Általános Iskolai Fizikatanári Ankét, Karcag. 2004. június 21-25