Az atomreaktor működése

Az előadások a következő témára: "Az atomreaktor működése"— Előadás másolata:

1 Az atomreaktor működése
Papp Milán

2 Alkalmazási területei:
Az atomreaktor az atomerőmű központi része – itt megy végbe a kontrollált láncreakció. Napjainkban minden reaktor maghasadáson alapszik, a fúziós reaktorral még csak kísérletek folynak. Alkalmazási területei: atomerőművek atommeghajtású járművek (tengeralattjáró, repülőgép-hordozó és atomjégtörő) transzmutáció neutronforrásként a radiológiához illetve más kutatásokhoz Az első atommáglyát 1942-ben Szilárd Leó és Enrico Fermi építette meg Chicagoban, s ezzel igazolták a szabályzott láncreakció megvalósíthatóságát. A sikeres kísérlet után Arthur Compton értesítette a washingtoni kormányt az előre megbeszélt kód alapján: Az olasz kormányos most kötött ki az Új Világban. A bennszülöttek barátságosan fogadták. Később az elhunyt Enrico Fermire emlékező Manson Benedict mondta a következő sorokat: Az olasz kormányos által használt hajó egy kanadai hajóács alkotása, aki azt egy magyar fölfedező által talált ritka és értékes anyagból építette meg. Az első atomreaktorokat plutónium előállítására használták (a plutónium a nukleáris fegyverek ideális alapanyaga). Papp Milán

3 Működési elv : A reaktormag sematikus rajza: kékkel a fűtőelemek, rózsaszínnel a moderátor, szürkével pedig a szabályzórudak vannak jelölve. Napjainkban minden üzemben levő reaktor a hőt a maghasadásokból nyeri. A maghasadás során egy nehéz kémiai elem (általában urán, plutónium vagy tórium) két kisebbre hasad. Ez természetes úton is megtörténik a radioaktív elemek esetében, ezt nevezzük természetes radioaktivitásnak. Az atommagot mesterségesen is hasítani lehet, például neutronbefogással. A maghasadás közben energia szabadul föl, a reakciótermékek mozgási energiájaként, illetve gamma-sugárzásként. Az urán esetében az atommag befog egy lassú (termikus) neutront, majd két kisebb magra bomlik. Eközben felszabadul 1-3 gyors neutron is. Így a maghasadás több neutront kelt, mint amennyit elhasznál, és az egész folyamat önfenntartó lesz. Ezt nevezik láncreakciónak. A maghasadás során gyors neutronok keletkeznek, viszont azokat az urán nem fogja be. Ezért a neutronokat le kell lassítani, ami neutronmoderátorral történik. Az így lelassult neutronokat termikus neutronoknak hívjuk, mert egyensúlyban vannak a reaktorban uralkodó hőmérséklettel. Ezeket a neutronokat az urán nagy valószínűséggel fogja be. A maghasadások száma (és ezáltal a reaktor hőteljesítménye) több módon is szabályozható: neutronelnyelőkkel – szabályzórudakkal, illetve a moderátorba kevert bórsavval moderátor mennyiségével a tüzelőanyag geometriai elrendezésével A moderátort használó reaktorokat termikus vagy lassú reaktoroknak nevezik, és általában a moderátor anyaga szerint osztályozzák. A leggyakrabb moderátorok: könnyű- és nehézvíz grafit Papp Milán

4 Papp Milán

5 Jelenleg működő reaktortípusok: forralóvizes reaktor (BWR)
A moderátor nélküli reaktorokat gyors reaktoroknak nevezik. A nagy neutronfluxus lehetővé teszi a transzmutációt, így pl. a tóriumból hasadóképes elem kapható. Ezért hívják ezt a típust tenyésztőreaktornak is. A reaktorokat hűteni kell, különben megolvad a reaktortartály és veszélyes radioaktív elemek kerülhetnek a környezetbe. A hűtőanyagnak átadott hőenergiát hasznosítják az atomerőművekben. A hűtőanyag leginkább víz, de lehet gáz is (ez esetben más moderátort kell alkalmazni). A tenyésztőreaktornál megengedhetetlen a moderátor jelenléte, így ezeket általában folyékony nátriummal hűtik. A reaktorban a tüzelőanyag általában 2-3 méter hosszú rudak formájában van jelen. Ezek kötegekbe vannak rendezve (egy köteg tartalmazhat akár 100 rudat is). A kötegben a rudak között elegendő hely van a hűtőanyag zavartalan áramlásához. A reaktor működése során a fűtőelemekben a hasadóképes atommagok koncentrációja csökken, míg a káros reakciótermékek koncentrációja növekszik. A reakciótermékek neutronelnyelők lehetnek (reaktorméreg), ami csökkenti a reaktormagban a neutronok számát, ezzel csökkentve a hőteljesítményt. Az elhasznált üzemanyagrudak cseréjéhez némely típusnál az egész reaktort le kell állítani, míg másutt (CANDU) ez menet közben történik. Jelenleg működő reaktortípusok: forralóvizes reaktor (BWR) nyomottvizes reaktor (PWR) nehézvizes reaktor (PHWR vagy CANDU) gyors tenyésztőreaktor (FBR) uszoda típusú reaktor Papp Milán

6 Életrajz Fizika Rómában Enrico Fermi Rómában született 1901-ben.
1924-ben egy félévet töltött Göttingenben, majd néhány hónapig Leidenben volt Paul Ehrenfest mellett. Mindössze 24 éves volt, amikor professzor lett a Római La Sapienza Egyetemen, az első elméleti fizika professzor, amely posztot Orso Maria Corbino, a Fizikai Intézet igazgatója kreálta neki. Corbino segített Ferminek, hogy összeválogassa a csoportját, amelyhez hamarosan olyan nevek csatlakoztak, mint Edoardo Amaldi, Bruno Pontecorvo, Franco Rasetti és Emilio Segré. Kizárólag elméleti kutatások területén Ettore Majorana szintén bekapcsolódott a csoportba, amit hamarosan a Via Panisperna fiúk néven emlegettek az út neve után, ahol az intézet laboratóriumai voltak. A csoport nevezetes kísérleteket végzett, de 1933-ban Rasetti Kanadába és az Egyesült Államokba, Pontecorvo Franciaországba távozott, Segré pedig Palermóba ment tanítani. Rómában Fermi és csoportja sok praktikus és elméleti hozzájárulással gazdagította a fizikát. Ilyenek voltak pl. a Fermi-Dirac-statisztika, a béta-bomlás elmélete és a lassú neutronok felfedezése, ami sarkalatosnak bizonyult a nukleáris reaktorokkal kapcsolatos munkában. Papp Milán

7 Nobel-díj és a Manhattan-terv :
Fermi (balra lenn), Szilárd (lenn jobbról második), és a "máglya" csoport. Fermi 1938-ig maradt Rómában ban elnyerte a fizikai Nobel-díjat "neutron besugárzással létrehozott új radioaktív elemek létezésének kimutatásáért, és a lassú neutronok által indukált magreakciók kapcsolódó felfedezéséért". Miután Fermi Stockholmban megkapta a díjat, felesége és gyermekeik New Yorkba emigráltak. Erre az időre a fasiszta kormány antiszemita törvényeket vezetett be, és Fermi felesége, Laura Capon zsidó volt. New Yorkba való megérkezése után nem sokkal Fermi a Columbia Egyetemen kezdett dolgozni. A Columbián Fermi – Booth és Dunning segítségével – ellenőrizte Otto Hahn és Fritz Strassman maghasadásos kísérletét. Fermi ezután kutatásba kezdett, ami az első nukleáris máglya megépítéséhez vezetett. Fermi megemlékezett a téma kezdeteiről, amikor 1954-ben leköszönt az American Physical Society elnöki posztjáról Papp Milán

8 „Nagyon élénken emlékszem 1939 januárjára, amikor a Pupin Laboratóriumokban kezdtem dolgozni, mert a dolgok nagyon gyorsan kezdtek történni. Akkoriban Niels Bohrnak előadói elkötelezettsége volt a Princeton Egyetemen, és egy délután Willis Lamb nagyon izgatottan jött vissza azzal, hogy Bohr nagyszerű híreket szivárogtatott ki. A nagyszerű hír a maghasadás volt, és a magyarázatnak legalábbis a vázlata. Ezután, még ebben a hónapban, volt Washingtonban egy találkozó, ahol félkomolyan megtárgyaltuk az új felfedezés lehetséges fontosságát, mint a nukleáris energiatermelés lehetséges forrását. „ An image from the Fermi-Szilárd "neutronic reactor" patent. Papp Milán

9 Fermi 1944-ben lett az Egyesült államok honosított állampolgára.
1939 augusztusában Szilárd Leó megírta és Albert Einstein aláírta a híres levelet, hogy figyelmeztessék Franklin D. Roosevelt elnököt arra a lehetőségre, hogy a nácik atombombát építenek. Hitler szeptember 1-jei lengyelországi inváziója miatt csak októberre tudták elrendezni a személyes kézbesítést (a sofőr Teller Ede volt, mert Szilárdnak nem volt jogosítványa). Sikerült Roosevelt aggodalmát annyira felkelteniük, hogy létrehozta az Uránbizottságot és a Columbia Egyetemnek megítélte az első atomenergia-alapot 6000 dollár értékben. Mindazonáltal a pénzt a bürokraták – azon félelmeik miatt, hogy a pénzt a külföldiek titkos kutatásokra fordítják – nem utalták át addig, amíg Szilárd nem esedezett Einsteinnek, hogy küldjön még egy levelet Rooseveltnek 1940 tavaszán. A pénzt az első atomreaktorhoz vezető kutatásokra költötték. Ez a Chicago Pile-1 volt, egy nagy atommáglya, ami grafittéglákból és urántüzlőanyagból épült fel, ami december 2-án érte el a kritikus tömeget. Egy squash-pályán épült a University of Chicago amerikaifutball-stadionja alatt (Stagg Field). Ez a kísérlet mérföldkő volt az energiakutatások terén, és jellemző volt Fermi éleselméjűségére. Minden lépést gondosan megterveztek, minden számítást aprólékosan ő végzett. Amikor az első szabályozott láncreakciót elérték, kódolt telefonüzenet ment a Manhattan Project egyik vezetőjének, James Bryant Conantnek: 'Az olasz hajós partot ért... A bennszülöttek nagyon barátságosak voltak'. A láncreakciós máglya nemcsak a hasadás tulajdonságainak felbecslése miatt volt fontos – ami szükséges volt az atombomba belső működésének megértéséhez –, hanem mert útmutatással szolgálhatott nagyobb reaktorok – mint Hanfordban (Washington állam) – építéséhez, amiket plutónium tenyésztésére alkalmazhattak a bombákhoz, amikett a Trinity test során és Nagaszakiban használtak fel. Történetesen Fermi és Szilárd reaktorát beillesztették a Manhattan terv-be. Fermi 1944-ben lett az Egyesült államok honosított állampolgára. Papp Milán

10 Fermi leglefegyverzőbb vonása nagy udvariassága volt, és hogy bármilyen munkát el tudott végezni, kreatívat vagy rutinmunkát is. Ez volt az a kvalitása, ami népszerűvé tette őt mindenféle rétegből származó emberek között, a Nobel-díjasoktól a műszakiakig. Amikor elküldte híres cikkét a béta-bomlásról a nagytekintélyű Nature-nek, a szerkesztő elutasította, mert "a realitásoktól távol álló spekulációkat tartalmazott". Így Fermi előbb látta cikke olasz és német nyelvű publikációját, mielőtt angolul megjelent volna. Soha nem felejtette el ezt az esetet, amikor megelőzte korát, és azt szokta mondogatni pártfogoltjainak: "Sose legyél első, próbálj második lenni" november 28-án, 53 évesen halt meg gyomorrákban Chicagóban, ahol az Oak Woods Cemetery-ben temették el. Ahogy Wigner Jenő írta: "Tíz nappal halála előtt azt mondta nekem, 'Remélem, nem tart sokáig', teljesen felkészült a végzetére". Papp Milán