Energiaátalakítás

Az energiaátalakítás korlátai Mennyiségi korlát: I. főtétel Minőségi korlát: II. főtétel Technikai-technológiai lehetőségek Gazdaságosság Környezetvédelem Társadalmi elfogadottság

Lehetőségek Mechanikai Hő Villamos Sugárzás Kémiai Nukleáris M H V S K egyszerű gépek, hajtások súrlódás generátorok, mikrofon tribo- és krisztallo- szonolumin- eszcencia mechano-kémiai jelenségek részecske- gyorsító H hőerőgépek abszorpciós hűtőgép hőelem hősugárzás, izzólámpa endoterm kémiai reakciók fúzió kiváltása V villamos motorok villamos fűtés, Peltier-elemes transzformátor tranzisztor gázkisülések elektrolízis, akkumulátor S radiométer abszorpció, infrasugárzó fényelem, vevőantenna fluoresz-cencia, lézer fotoszintézis fényképezés párkeltés, fúzió lézerrel K izom, ozmózis, sugárhajtómű, exoterm kémiai reakciók, égés galvánelem, tüzelő-anyag cella kemolumineszcencia, biolumineszcencia kémiai reakciók N hasadás atom-reaktor termoelek-tromos reaktor, izotópos áramforrás radioaktivitás kötések módosulása fúzió, fisszió

Fontosabb energiaátalakítások A tipikus (erőművi) energiaátalakítási lánc Hőfejlesztés → hőforrások, atomreaktor Mechanikai munka → erőgépek Villamos munka → áramforrások kémiai villamos hő mechanikai nukleáris

Az energiaátalakítás jellemzése Mennyiségi értékelés (I. főtétel): hatásfok Energiafolyam- (Sankey-) diagram Ebe Mérleg Ebe=Ehaszn.+Eveszt. Eveszt.=(1-η)Ebe Eveszt. Hatásfok Ehaszn. Közvetlen energiaátalakítás (energiatermelés)

Energiaátalakítás segédenergiával Ebe Esegéd Eveszt. Egyszerűsített hatásfok: Ehaszn. Bruttó hatásfok:

Energiaátalakítás önfogyasztással Ebe Esegéd Eveszt. Eönf. Eh,brutto Eh,netto

Energiaátalakítás önfogyasztással Ebe Egyszerűsített hatásfok: Esegéd Eveszt. Bruttó hatásfok: Eönf. Eh,brutto Tényleges bruttó hatásfok: Nettó hatásfok: Eh,nettó= Eh,brutto- Eönf.

Önfogyasztási hatásfok Relatív önfogyasztás (önfogyasztási tényező) Önfogyasztási hatásfok

Többszörös energiaátalakítás Sorbakapcsolt elemek rendszere Ebe RENDSZER E2,haszn. 1 E1,haszn. 2 E1,veszt. E2,veszt.

Többszörös energiaátalakítás Párhuzamosan kapcsolt rendszerek RENDSZER Ebe E1,be E2,be E2,veszt. E1,veszt. 1 2 E1,haszn. E2,haszn. Ehaszn.

Több hasznos energiafajta Részhatásfok „A” termék: Ebe „B” termék: Ehaszn.,A Eredő (bruttó) hatásfok: Ehaszn.,B Eveszt. Termékarány: Kapcsolt energiaátalakítás (energiatermelés)

Fogalmak az „energiatermelésben” Közvetlen energiatermelés (egy termék, egy technológia) hő → fűtőmű villamos energia → erőmű Kapcsolt energiatermelés (két termék, egy technológia) fűtőerőmű Kombinált ciklusú kapcsolt energiatermelés (két termék, két/több technológia) villamos energia → kombinált ciklusú erőmű vill. en. & hő → kombinált ciklusú fűtőerőmű

Fogalmak az „energiatermelésben” Koncentrált energiaátalakítás nagy erőművek (döntően villamos energia) fogyasztóktól távolabb → szállítás az energiarendszer alappillérei Decentralizált kis-közepes erőművek (döntően villamos energia) legtöbbször megújuló energiabázison

Fogalmak az „energiatermelésben” Fogyasztóközeli (beágyazott) kis-közepes teljesítmény szinte kizárólag kapcsolt fűtőerőmű a fogyasztó közvetlen szomszédságában → szennyezés (→ olcsó szállítás) „tiszta” üzemanyag a két termék miatt a szabályozás problémás lehet

Technológiai jelölések Hőforrások gőzkazán túlhevítővel, széntüzeléssel, levegő- és tápvízelőmelegítő résszel gőzkazán nyomottvizes atomreaktor gőzkazán túlhevítővel gőzkazán túlhevítővel és újrahevítővel atomerőművi gőzfejlesztő

Technológiai jelölések Hőforrások Expanziós és kompressziós gépek gőzturbina gázturbina égőkamra gőzturbina szabályozott elvétellel póttüzelés gázciklusban gőzturbina szabályozatlan elvétellel

Technológiai jelölések Expanziós és kompressziós gépek gőzkompresszor gázturbina gázkompresszor szivattyú ventilátor

Technológiai jelölések Hőcserélők gáztalanítós táptartály hőcserélő általában felületi tápvízelőmelegítő keverő kondenzátor felületi gőzkondenzátor

Közvetlen energiaátalakítás Fűtőművek, gőzerőművek és gázturbinás erőművek

Közvetlen energiaátalakítás Lehetőségek fűtőmű; kondenzációs gőz munkaközegű erőművek; gáz munkaközegű erőművek.

Fűtőművek Alaptípusok forróvizes fűtőmű, ipari kazántelep, nagyvízterű (láng-/füstcsöves, 15..20 MW), természetes cirkulációjú, kényszercirkulációjú kisvízterű (vízcsöves, 20 MW felett). ipari kazántelep, nukleáris fűtőmű.

Fűtőművek Üzemi korlátok változó hőigény (25..110%); harmatpont elkerülése (olaj-, széntüzelés); részterhelésen jobb hatásfok; minimális belépő vízhőmérséklet; minimális tömegáram.

Fűtőművek - Forróvízkazán Kisteljesítményű (gáztüzelésű) forróvízkazán FK KSZ =

Fűtőművek - Forróvízkazán Nagyobb teljesítmény (olaj/gáz tüzelés) FK RSZ KSZ

Fűtőművek Gáztüzelésű forróvízkazánnal H Q előremenő FK1 FK2 visszatérő KSZ PK PG PSZ

Fűtőművek Vegyes tüzelésű forróvízkazánnal H Q előremenő RS RS KSZ visszatérő RVT NYT PK

Fűtőművek – Ipari kazántelep Változó nagyságú technológiai gőzigények H GF1 Q KL GF2 csatornába R1 R2 KL pótvíz GK1 GK2 KT PK KG CSSZ NYSZ GTT TSZ

Fűtőművek Forróvizes hőkiadás gőzkazánból keverő hőcserélő GK pótvíz Q keverő hőcserélő GK pótvíz TSZ KSZ

Fűtőművek Forróvizes hőkiadás gőzkazánból R GTT fűtés FH1 pótvíz GK Q R GTT fűtés FH1 pótvíz GK CSSZ KSZ TSZ hmv FH2 KSZ

Fűtőművek – Nukleáris fűtőmű H H2 Q reaktor közbenső kör fűtési kör

Fűtőművek - Energetika H Q HF

Fűtőművek - Energetika Hőforrás fajlagos hőfelhasználása: Fűtőmű fajlagos hőfelhasználása: Fajlagos villamos energia felhasználás:

Erőművek Lehetőségek hagyományos (fosszilis) tüzelőanyagú kondenzációs gőzerőművek; kondenzációs atomerőművek; gáz munkaközegű atomerőművek; nyílt ciklusú gázturbinás erőművek.

Kondenzációs gőzerőmű Villamos erőmű (egy termék: villamos energia)

Kondenzációs gőzerőmű Villamos erőmű (atomerőmű)

Rendszerelvű leírás

Gőzerőmű alrendszerei

Gőzerőmű energiafolyam-diagramja

Gőzerőmű hatásfoka Hőforrás alrendszer: Turbina alrendszer:

Gőzerőmű hatásfoka Villamos alrendszer: Önfogyasztás:

Gőzerőmű hatásfoka Áramló közegek továbbítása (H+T+K): Eredő hatásfok:

Hatásfok terhelésfüggése Fajlagos hőfogyasztás

Gőzerőművi technológia Gőznyomás szerint (pkrit=220,6 bar) szubkritikus (pgőz<pkrit), szuperkritikus (pgőz>pkrit), ultra-szuperkritikus (pgőz>>pkrit). Gőz túlhevítés szerint telített gőzös, túlhevített gőzös, egyszeres újrahevítésű, többszörös újrahevítésű.

Technológia H1 H2 T2 T1 K1 K2 P Q V tüa H,v KE F be T,t el PV I L ε .

Atomerőművek - Üzemanyagciklus természetes urán U3O8 term. bánya urán konverzió UF6-tá term. urán dúsítóüzem átalakítás fémoxiddá vagy kerámiává hulladék üzemanyag elemek U és kiégett Pu üzemanyag elemek hulladék újrafeldolgozó REAKTOR üzem Pu gyorsreaktorokba hulladék

Atomerőművek - Üzemanyagciklus Bányászat érc oldása H2SO4-ben U3O8 kicsapatás → sárga por

Atomerőművek - Üzemanyagciklus Konverzió UF6 előállítása (csak egyféle F izotóp van) mérgező és korrozív (Al2O3-t, Ni-t és PTFE-t nem támadja) 235UF6: 349 g/mol 238UF6: 352 g/mol tömeg szerinti szétválasztás

Atomerőművek - Üzemanyagciklus méretarányokat jól érzékelteti a képen látható kék ruhás munkás.                                                                                            Atomerőművek - Üzemanyagciklus Dúsítás – Gázdiffúziós eljárás ember A diffúziós sebesség tömegfüggő.

Atomerőművek - Üzemanyagciklus Dúsítás - Gázcentrifuga

Atomerőművek - Üzemanyagciklus Elektromágneses eltérítés 235 UF 6 238 részecskegyorsítóból

Atomerőművek - Üzemanyagciklus Fűtőelemgyártás UO2 (kerámia); olvadáspont: 2850 °C

Atomerőművek - Üzemanyagciklus Reprocesszálás Újrahasznosítható: 235U, 239Pu, 241Pu pihentetés (5 év) oldás HNO3-ban tributil-foszfát adalékkal a TBP megköti az U és Pu atomokat MOX: Mixed Oxid fuel

Atomerőművek - Üzemanyagciklus Végleges elhelyezés végleges lerakás üvegesítés

A reaktor mint hőforrás Maghasadás hasadvány neutronok neutron hasadvány

Maghasadás energiamérlege, MeV helyben távolabb összesen Hasadási termékek kinetikus energiája 168 Hasadási neutronok kinetikus energiája 5 prompt γ-sugárzás 7 neutrínó (kinetikus energia) β-bomlás γ-sugárzás 6 neutrínó 2 ÖSSZESEN 202

Az atomreaktor Az atomreaktor elvi felépítése hasadóanyag: dúsított urán (energetikai: 3..6% 235U); lassítóközeg (moderátor): H2O, D2O, C (grafit), Be [kis befogási, nagy szórási hatáskeresztmetszet]; szabályozó közeg: B, BC, Cd [nagy befogási, hatáskeresztmetszet]; hűtőközeg (H2O, CO2, He, foly. fém);

Az atomreaktor Az atomreaktor elvi felépítése sugárzás elleni védelem (kis A-jú: n0 sugárzás elnyelésre, nagy A-jú γ-sugárzás lefékezésére) reflektor: kiszökő n0-k visszaszórása a reaktorba; szerkezeti anyagok: üz.a. burkolat stb.; mérőműszerek: neutrondetektorok; indító n0 forrás

A reaktor mint hőforrás 235 U + n hasadási termékeinek eloszlása 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Tömegszám, A Relatív hozam, % termikus 14 MeV Maghasadás: Átlagos neutronszám (ν): 2,47

A reaktor mint hőforrás Láncreakció Sokszorozási tényező: k=1: önfenntartó láncreakció (reaktor) k<1: szubkritikus reaktor k>1: szuperkritikus reaktor

A reaktor mint hőforrás Termikus neutron hozam Gyorshasítási tényező

A reaktor mint hőforrás Termikus hasznosítási tényező Rezonancia befogás kikerülésének valószínűsége A reaktorból való végleges kikerülés: gyors (Pf) és lassú (Ps) neutronok.

A reaktor mint hőforrás csak az üzemanyagtól és lassító- közegtől (moderátortól) függ k, f, p 1 f k p alulmoderált felülmoderált Nm/Nü

Atomerőművek Típusok Általánosan elterjedt, kereskedelmi forgalomban kapható, kiforrott konstrukciójú energetikai reaktorok. Egyéb teljes mértékben kifejlesztett reaktorok. Továbbfejlesztett vagy csak részlegesen kifejlesztett (kísérleti) reaktorok.

Atomerőművek

Atomerőművek 1/A: nyomottvizes atomerőmű pressurized water reactor, PWR

Atomerőművek 1/B: forralóvizes atomerőmű boiling water reactor, BWR

Atomerőművek 1/C: nehézvízzel hűtött és moderált raktor pressurized heavy-water-moderated and -cooled reactor, PHWR kanadai változat: CANDU Canada deuterium-uranium

Atomerőművek 2/A-B: gázhűtésű reaktorok A: gas cooled graphite moderated reactor (CO2) B: andvanced gas cooled reactor (He)

Atomerőművek 2/C: grafittal moderált, könnyűvízzel hűtött reaktor ligth-water-cooled, graphite-moderated reactor, LWGR

IV. Generációs atomerőművek Szuperkritikus vízhűtésű reaktor Hűtőközeg: víz, 250 bar nyomáson belépés: 280 °C; kilépés: 510 °C

IV. Generációs atomerőművek Gázhűtésű gyorsneutronos reaktor Üzemanyag: UPuC Hűtőközeg: 90 bar; 480/850 °C

IV. Generációs atomerőművek Nagyon magas hőmérsékletű reaktor He hűtés; >1000 °C

IV. Generációs atomerőművek Hűtőközeg: 565/700 °C He gázturbina Folyékony fém (fémsó) hűtésű reaktor

IV. Generációs atomerőművek Folyékony nátrium hűtésű gyorsreaktor

IV. Generációs atomerőművek Hűtőközeg: Pb, PbBi 550..800 °C Folyékony ólom hűtésű gyorsreaktor

Atomerőművek Építés

Atomerőművek A nukleáris biztonságról

Csernobil – a baleset után A szarkofág belsejében