Villamosenergia-termelés atomerőművekben 7. témakör Villamosenergia-termelés atomerőművekben

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

1. Magfizikai alapok (semleges) atom=(+) atommag + (-) elektronburok. atommag=p+n és p=e (kifelé semleges). u (nyugalmi tömeg) Energia [MeV] Elektromos töltés p 1,007276 938,18 +1 n 1,008665 939,47 e 0,000549 0,511 -1

Magfizikai alapok u=atomi tömegegység (12 tömegszámú szénatom (C-12) tömegének 1/12-ed része. 1u=1,660274.10-24 [g]. Eo=mc2=1,66.10-27 [kg]*9.1016 [m/s]2=1,494.10-10 J. m[g]=Au → A=6,0231.1023 [db/mol] e-elektromos töltés, amely az elektron és a proton töltésének nagyságával azonos → elemi töltés 1e=1,6021.10-19 C. 1 eV=Q(1e-)*ΔU(1V) mozgási energiát nyer 1 e- töltéssel rendelkező részecske, ha 1V feszültségkülönbség hatására gyorsul: 1eV=1,6021*10-19 [C]*1[V] = 1,6021.10-19 J.

Magfizikai alapok 1u energiája: 1,494.10-10 [J]/1,6021.10-19 [eV] =932,5.106 eV=932,5 MeV. m(e)=9,108.10-28 [g], Eo=9,109.10-31 [kg]*9.1016 [m/s]2=8,1972.10-14 [J]/1,6021.10-19= 511.103 eV=511 [keV]. Einstein energia-megmaradás elve: a nyugalmi energia [Eo] és a nyugalmi (v=0) tömeg [mo] ekvivalencia:

Magfizikai alapok Egy anyagi részecske összes energiája (Eo és mo 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).

Magfizikai alapok c≈3.105 [km/s]=3.108 [m/s]. 1 g tömegnek megfelelő nyugalmi energia: Eo=moc2= 10-3 [kg]*9.1016 [m/s]2=9.1013 J=9.1010 kJ. 1 kg tiszta szén (Hü=33800 kJ/kg) eltüzelése: 1kg U-235 valamennyi atommagjának elhasadása során (Hü=) 8,2.1010 kJ energia szabadul fel:

Magfizikai alapok Nukleáris/kémiai kötött energia aránya:

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 1H, 16O, 235U. mp=1,007276 u ≈mn=1,008665 u, mp/me=1,007276 u/0,000549 u≈1835, ill. (mp+mn)/me=3670→ az atom tömege gyakorlatilag a magban koncentrálódik.

Az atommag felépítése, jellemzői Az atommag sugara: A mag sűrűsége óriási (1014 g/cm3), azaz 1013-szor nagyobb, mint a köznapi életben megszokott sűrűség (1-10 g/cm3).

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

A stabil izotópok összetartozó neutron- és protonszáma [Csom]

Az atommag felépítése, jellemzői A magerőtér tartja össze az atommagot → kötési energia (Eb) → tömegdefektus (ΔM) (Mo az atommag nyugalmi tömege): Fajlagos kötési energia:

A fajlagos kötési energia (eb) a tömegszám függvényében [Csom]

Az atommag felépítése, jellemzői 1 kg tiszta C elégetésekor 33,8 MJ/kg. 1 kg U-235 valamennyi atommagjának elhasadásakor: 1 kg 2H2O-ban levő valamennyi 2H-atommag 4He-atommaggá történő fúziója:

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

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.

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.

A radioaktív magok fogyása az idő függvényében [Csom]

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

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:

Coulomb-gát az atommag körül [Csom]

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 10-22 s): ahol X-termékmag, Y-keletkezett részecske, ill. γ-foton.

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.

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).

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

Maghasadási (fissziós) reakció 235U (239Pu, 241Pu) a reakciócsatorna minden neutronenergiára nyitott; 238U csak ha Eszep+Ek>Ehk (hasadási küszöbenergia).

Neutron magreakciók hatáskeresztmetszete N db adott típusú atommag 1 cm3-ben (magsűrűség, cm-3), n db neutron 1 cm3-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-2s-1].

Neutron magreakciók hatáskeresztmetszete Reakciósűrűség [cm-3s-1]: σ mikroszkopikus hatáskeresztmetszet 1 magra, egységnyi neutronfluxusra eső reakciósűrűség [cm2] (ama hatásos keresztmetszetként képzelhető el, amelyet az atommag a közeledő neutronnal szemben mutat). Σ makroszkopikus hatáskeresztmetszet az egységnyi neutronfluxusra eső reakciósűrűség [cm-1].

Neutron magreakciók hatáskeresztmetszete A hatáskeresztmetszet reakciótípusonként értelmezhető: rugalmas szórás (σes), rugalmatlan szórás (σis), Szórás: σs= σes+ σis, radiációs (capture) befogás (σc), maghasadás (σf), Abszorpció: σa= σc+ σf, Totális hatáskeresztmetszet: σtot= σa+ σs, töltöttrészecske-reakciók: σ(n,p), σ(n,d)+ σ(n,α). σ függ a részecske energiájától (c2-n keresztül)!

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. 235U-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).

Az energia megoszlása a hasadványok között [Csom]

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

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 200-240 szekunder hasadvány (90Sr T1/2=28 év, 137Cs T1/2=30 év).

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 (106 barn, 1 barn=10-24 cm2) befogási hatáskeresztmetszettel rendelkező 135Xe. Prompt (azonnali) neutron: a neutron kibocsátási idejének felső határa 4.10-14 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.

A neutronok eloszlása nátlag körül [Csom]

nátlag értéke néhány izotópra és neutronenergiára [Csom]

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): 235U: β=0,64%, 233U: β=0,26%, 239Pu: β=0,21%.

Késő neutroncsoportok jellemzői [Csom]

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. 9-10 eV, átlag 0,7 MeV). A η(E) és En=2 MeV: 235U: nátlag=2,07, En=2,5 MeV, 233U: nátlag=2,30, En=2,6 MeV, 239Pu: nátlag=2,08, En=3,1 MeV.

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. 59Co(n,γ)60Co. Új, hasadóképes izotópok előállítása:

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.

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

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

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.

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.

Láncreakciók [Csom]

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.

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.

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 (10-2-10-1 eV) váltják ki. A gyorsneutronok lassítását (energiacsökkentését) a moderátor végzi (a reaktorok kb. 99 %-a).

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):

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

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!

VVER-440 kazetta (zárt kazettafal)

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

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=3,2.10-11 J/hasadás

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:

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

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

Az üzemanyag-csatorna sugármenti hőmérséklet-eloszlása [Büki]

Hűtőközeg, üzemanyag és burkolat hőmérsékletváltozása a forrócsatornában [Büki]

A hűtőközeg felmelegedése a reaktor sugara mentén [Büki]

6. Atomerőművek Vízhűtésű reaktorok: Nyomottvizes 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.

Nyomottvizes atomerőmű kapcsolása

Forralóvizes atomerőmű kapcsolása

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): 30000-40000 kWnap/kg=(2,6-3,4).1012 J/kg=(2,6-3,4).106 MJ/kg (fosszilis: 47-6 MJ/kg), a jelenlegi hasznosítás mellett 5 nagyságrend különbség!

Biztonsági filozófia 1./ Kerámia mátrixú pasztillák, 2500-2800 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 (2. generáció). Az eddigi tapasztalatok: az emberi tévedések a balesetekben, ezért ezek kiküszöbölése.

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

Hőkörfolyamat

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 (296-265 oC), a hűtővíz lehűtése a gőzfejlesztő csőterében (primerkör), a gőzfejlesztő köpenyterében a vízgőz munkaközeg felmelegítése, elgőzölögtetése (szekunderkör).

VVER-440 fekvő gőzfejlesztő

Régi tápvíz-elosztóval

Új tápvíz-elosztóval

PWR álló gőzfejlesztő

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

6.4. Gőzturbina 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.

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.

VVER-440 CSTH

PWR cseppleválasztó

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

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 (T1/2 (Co-60)=5,3 év): feldolgozás az AE-ben, PA: 100 m3/év blokk, cementmátrix, 200 ill. 400 l hordók, elhelyezés átmeneti tárolókba (Mo: egyelőre nincs.)

Atomerőművi kibocsátások

PA primerköri kapcsolás

K-220-44 gőzturbina KSZ CS TH1 TH2 GTT NX12 3 db KSZ pótvíz NX01 KT Leiszapolás NX13 5 db CSH AH N2H4 2 db K GF E8 E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 CSUH NNY KNY

Paksi Atomerőmű

Paksi Atomerőmű

Paksi Atomerőmű

Paksi Atomerőmű

Paksi Atomerőmű