Reaktortechnika Az energetikai atomreaktorok szerkezeti felépítése

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Kötegek - BWR Siemens Középen vízcsatorna

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

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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