A neutron felfedezésétől a negyedik generációs atomerőművekig

A neutron felfedezésétől a negyedik generációs atomerőművekig Országos Fizikatanári Ankét, Székesfehérvár, 2005. március 12. Dr. Aszódi Attila igazgató BME Nukleáris Technikai Intézet Székesfehérvár, 2005. március 12.

1

Tartalom • • • •

Történeti visszatekintés Reaktorgenerációk Reaktorbiztonság Technológiai generációváltás – 3./3+ és 4. generációs reaktorok • Humán erőforrás generációváltása

Székesfehérvár, 2005. március 12.

Dr. Aszódi Attila, BME NTI

2

Történeti visszatekintés 1930 és 1932: W. Bothe és H. Becker, majd Frédéric és Iréne Curie kísérleteikben nagy áthatoló képességű sugárzást észlelnek, mely atommagokból protont tud felszabadítani 1932: J. Chadwick számításokkal kimutatja, hogy ez nem lehet a γ-sugárzás, hanem egy, a protonéval azonos tömegű, de semleges részecske: ez a neutron →

Új korszak kezdődik az atommagkutatásban, aminek a neutron a főszereplője • Kiválóan alkalmas magátalakítások kiváltására • Lehetővé tette az atommag összetételének megismerését Székesfehérvár, 2005. március 12.


3

Történeti visszatekintés 1934: Frédéric és Iréne Curie: első olyan magátalakulás neutronok révén, amelyben a kiindulásinál nagyobb rendszámú elem keletkezik (alkimisták nagy álma). Noddack: elképzelhető, hogy az atommag széthasad több nagy töredékre... → Itt merül fel először a maghasadás gondolata. Joliot-Curie és mások is bombázzák az uránt neutronokkal → létrehoznak maghasadást, de más magyarázatot adnak rá. Székesfehérvár, 2005. március 12.


4

Történeti visszatekintés 1938: O. Hahn és F. Strassman kémikusok maghasadást hoznak létre urán n-bombázásával és – óvatosan ugyan – el is hiszik, hogy valóban maghasadás történt. 1939: Lise Meitner és O. R. Frisch helyesen és egyértelműen atommaghasadásként értelmezik a neutron-magreakciót és új neutronok keletkezését is feltételezik.

A maghasadás felfedezésétől az első atomreaktorig (1938-1944) Székesfehérvár, 2005. március 12.


5

Történeti visszatekintés 1939 (januárban): A washingtoni magfizikai konferencián már felbukkan az atomreaktor alapját képező, neutronok által kiváltott maghasadáson alapuló láncreakció gondolata. 1939: Bohr és Wheeler a cseppmodell alapján kidolgozza a maghasadás elméletét. 1939 (augusztus): Einstein levele (Szilárd Leó rábeszélésére) Roosevelt elnöknek: atombomba megépítésének lehetősége.



6

Történeti visszatekintés

1941: Pearl Harbor japánok általi szétbombázása → Manhattan Project megindítása az atombomba előállítására. Erőteljes magyar részvétel: Szilárd Leó, Wigner Jenő, Teller Ede, (Neumann János). 1942: Fermi vezetésével, Szilárd Leó ötlete alapján üzembe helyezik a világ első atomreaktorát (200 W). 1944: Az első nagyobb teljesítményű, plutónium termelésére létrehozott atomreaktor Hanfordban (250 MW). Székesfehérvár, 2005. március 12.


7

A hőskor - USA Teller Ede: „…egyetértettünk abban, hogy a plutóniumot termelő hanfordi reaktoroknak két komoly hibájuk van:” – „a wigneritisz” ⇒ 1957, Windscale – „…a víz lassú neutronokat is elnyel, méghozzá sokkal szorgalmasabban, mint a grafit…” ⇒ 1986, Csernobil

– 1954-ben a Teller féle Reaktorbiztonsági Bizottság közbenjárására a hanfordi plutónium termelő reaktorokat kivonták a forgalomból.

A chicagói atommáglya

A Hanford-N reaktor Székesfehérvár, 2005. március 12.


8

Atomok a békéért • 1951: Üzembe helyezik az EBR-t (Experimental Breeder Reactor), ez a világ első reaktora, amivel áramot termeltek, de nem atomerőmű (és az első gyorsreaktor is). • 1953. december 8.: Eisenhower „Atoms for peace” beszéde. Létrejön a NAÜ, feladata: – kidolgozni „módszereket, melyek segítségével a hasadóképes anyagokat az emberiség békés céljainak szolgálatába lehet állítani. Szakértőket kell megbízni, hogy az atomenergiát a mezőgazdaság, orvostudomány és más békés tevékenységek számára felhasználhatóvá tegyék. Kiemelt cél lehet a világ energiaínségben szenvedő területeinek bőséges elektromos energiával történő ellátása.” Székesfehérvár, 2005. március 12.


9

A hőskor - Szovjetunió 1954. június 27.: Obnyinszk (Szovjetunió): A világ első atomerőműve (5 MWe) rákapcsolódott a villamos hálózatra (grafit moderátoros, vízhűtéses nyomottcsöves reaktor, az RBMK „elődje”).

Az obnyinszki erőmű: üzem és karbantartás közben Székesfehérvár, 2005. március 12.


10

A Nautilus - SSN 571 • 18 hónap építés után 1954. január 21-én avatta fel Eisenhower elnök felesége. • Az összköltség (pezsgővel együtt) 75 millió dollár volt, ennek harmadát a reaktor tette ki. • 1958. július 23: Pearl Harborról - "Operation Sunshine" - a tengeralattjáró a víz alatt jusson át az északi sarkon. • Újratöltés nélkül kb. 250 000 km megtételére volt képes. • 1979-ig, 25 évet szolgált.



11

A Shippingport atomerőmű • 1957. december 2-án indult, 1982-ig üzemelt • Nyomottvizes, amit eredetileg a haditengerészet részére fejlesztettek ki • Pth=230 MW, Pe=60 MW • Az USA első reaktora, amelyet teljesen leszereltek és dekontamináltak 1989-re



12

Reaktorbiztonsági kísérletek 1953-1964: SPERT – Special Power Excursion Reactor Tests Cél: oktatóreaktorokat az egyetemekre Ø A biztonság a legfontosabb szempont! Intenzív megszaladásos kísérletek MTR üzemanyaggal, a zóna tönkremeneteléig BORAX – Boiling Water Reactor Experiment Medence típusú reaktor, 1.4 MWt nagy dúsítású fémurán üzemanyag. Kb. 200 megszaladásos kísérlet Ø A könnyűvizes reaktor belső biztonsággal rendelkezik! Székesfehérvár, 2005. március 12.


13

Three Mile Island 2. blokk Harrisburg, Pennsylvania, USA, 1979. március 28. (12 nappal a „Kína Szindróma” film bemutatása után!) Hűtőközeg vesztéses baleset során, rossz üzemeltetői beavatkozások következtében részleges zónaolvadás egy nyomottvizes atomerőművi blokkban. Országos pánik, hisztéria. Elhanyagolható egészségügyi következmények (kivéve a közlekedési baleseteket). Székesfehérvár, 2005. március 12.


14

1986, a csernobili atomerőmű-baleset RBMK A reaktivitás teljesítménytényezője pozitívvá válhat, azaz öngerjesztő folyamatok indulhatnak be. Nincs védőépület. A hűtés elvesztése nem vonja maga után a láncreakció leállását. A grafit moderátor gyúlékony és vízzel érintkezve éghető gázokat termel (CO, H2). Székesfehérvár, 2005. március 12.


15

1986, a csernobili atomerőmű-baleset Okok és tanulságok Reaktorbiztonsági kutatások nem megfelelő szintje a Szovjetunióban. USA - Szovjetunió párbeszéd hiánya. Az erőművek biztonságát szigorú tervezési kritériumok betartásával, az üzemeltetők magas színvonalú képzésével és hatékony ellenőrzésével kell garantálni. Más reaktortípusoknál hasonló műszaki hiányosságok nincsenek, a csernobilit megközelítő méretű és hatású baleset ott nem képzelhető el! Székesfehérvár, 2005. március 12.


16

Az atomenergia jelenlegi szerepe • Az atomenergetika részesedése a villamosenergia-termelésben világ 16% EU 35% Magyarország 36% • A világon 441 atomerőművi blokk üzemel (31 országban) és 36 áll építés alatt. • Az atomerőművi blokkok zöme 2015-2030-ra tölti ki tervezett élettartamát. Székesfehérvár, 2005. március 12.


17

I-IV. Generációs reaktorok

I.: 1970-es évek előtt, természetes uránnal működő reaktorok. II.: A 70-es évektől kifejlesztett könnyűvizes reaktortípusok, jelenleg is alkalmazzuk őket. III.: A jelenlegi reaktortípusok optimalizálása biztonsági és gazdaságossági szempontok szerint. 2010-től kerülnek szélesebb kereskedelmi forgalomba. Székesfehérvár, 2005. március 12.


18

Közismert jövőkép • Az atomenergetikának hosszú távon jövője van az emberiség energiaigényeinek kielégítésében. • Érveink: – A nukleáris energiatermelés gazdaságos, versenyképes. áramár üzemanyag – Az üzemanyag készletek eurocent/kWh költséghányad stabil áron, politikailag stabil országokból. atom (1) 2,47 10% – Hosszú távú árstabilitás: szén (3) 3,28 48% gáz (2) 3,06 76% az áramárban csak 10-15% fa (4) 3,96 44% az üzemanyagköltség. szél (5) 5 0% – Fontos szerep az ellátásbiztonságban. – Az atomenergetika nem termel üvegházhatású gázokat. ⇒Meghatározó szerep a fenntartható fejlődésben. Székesfehérvár, 2005. március 12.


19

Új generációk (1) •

Az atomenergetika nem nélkülözhető a következő (minimum) 100 évben. A további működéshez elkerülhetetlen két generációváltás: 1. A jelenleg működő atomerőművi blokkokra világszerte tervezett üzemidő-hosszabbítási programok sem lesznek lehetségesek a humán erőforrás generációváltása nélkül. (Közel 400 mérnök nyugdíjazása 2015-ig Pakson.) ¾ Szakember utánpótlás hatékony biztosítása. ¾ Nukleáris kompetencia fenntartása. ¾ Ebben alapvető szerep hárul a fizika tanárokra!!! Székesfehérvár, 2005. március 12.


20

Új generációk (2) •

Az atomenergetika nem nélkülözhető a következő (minimum) 100 évben. A további működéshez elkerülhetetlen két generációváltás: 2. Az atomenergetika 50 évnél hosszabb távon versenyképes áron csak akkor tud megmaradni, ha növeli az üzemanyag hasznosítás hatásfokát. • • •

Új típusú üzemanyagciklus, hasadóanyag újratermelés Radioaktív hulladékok mennyiségének radikális csökkentése Új termék is megjelenhet: hidrogéntermelés, víz sótalanítás.

¾ 4. generációs reaktorok kifejlesztése ¾ Attraktív tudományos cél a fiatal szakembereknek. Székesfehérvár, 2005. március 12.


21

I-IV. Generációs reaktorok

• IV.: 2030-tól várható típusok. A biztonság és gazdaságosság terén minden eddigi tapasztalat alapján készített konstrukciók. Céljuk fenntartható energiaforrás biztosítása (villamos- és hőtermelés, tengervíz sótalanítás), illetve a hidrogéntermelésben való részvétel. Székesfehérvár, 2005. március 12.


22

Átmenet a reaktor generációk között • Jelenlegi 2. generációs erőművek: üzemidő-hosszabbítás • 3./3+ generáció: 2015-2020 körül a jelenlegi erőművek lecserélésére • 4. generáció: 2030-2035

•

Technológia elkészülhet:



23

A zónaolvadás valószínűsége Nyugati könnyűvizes blokkok: néhányszor 10-5 / reaktorév

Paks (VVER440/213): néhányszor 10-5 / reaktorév

3+/4. generációs típusok: 10-6 - 10-7 / reaktorév Székesfehérvár, 2005. március 12.


24

A zónaolvadáson túl • A zónaolvadás nem feltétlenül jelent komoly kibocsátást. • Az újgenerációs típusok biztonsági rendszerei teljes zónaolvadásra is méretezve vannak. • Framatome EPR: olvadékcsapda a reaktortartály alatt. • EPR típusú blokk épül most Finnországban (várhatóan Franciaországban is).



25

Üzemanyagciklusok és fenntarthatóság Előrejelzések a mostani áramtermelés mellett (1): – Legtöbb hulladék, bár még így is kevesebb, mint más energiaforrásoké. – A hulladék mennyisége is limitálja ezt az opciót: néhány évtizeden belül több végleges tároló építése szükséges. – Ez a források legkedvezőtlenebb kihasználása, a jövő század közepére a becsült forrásokat is kihasználjuk. Székesfehérvár, 2005. március 12.


26

Üzemanyagciklusok és fenntarthatóság Előrejelzések a mostani áramtermelés mellett: Zárt üzemanyagciklus (2-4): – Jelentős mértékben csökken a hulladék mennyisége. – Transzmutáló berendezések használatával a hulladék mennyisége egy nagyságrenddel csökkenthető. – A hulladékfrakciókat elkülönítetten lehet kezelni. – Nagy kihívás a költségek csökkentése. – Fokozottabb veszély a proliferáció. Székesfehérvár, 2005. március 12.


27

1. Gázhűtésű gyorsreaktorok • Gas-Cooled Fast Reactor -- GFR • Hűtőközeg: He gáz • Üzemanyag: UPuC/SiC, zárt üzemanyagciklus! • Termikus teljesítmény: 600 MW • Hűtőközeg hőmérséklet: 490-850 °C • Magas hőmérséklet: jó hatásfokkal elektromos áram, vagy hidrogéngáz termelése, hatásfok: 48%



28

2. Ólomhűtésű gyorsreaktorok • Lead-Cooled Fast Reactor -- LFR • Hűtőközeg: Pb-Bi, vagy Pb • Üzemanyag: U/Pu fém, vagy nitrid, zárt üzemanyagciklus! • Termikus teljesítmény: 125 - 3600 MW • Hűtők hőmérséklete: 550-800 °C • Elektromos áram és hidrogéntermelés moduláris (15-20 éves kampány!) és nagy erőművi formában egyaránt. Székesfehérvár, 2005. március 12.


29

3. Olvadt sós reaktorok • Molten Salt Reactor -- MSR • Hűtőközeg és üzemanyag: U/Pufluorid tartalmú sóolvadék, Th fertilis anyaggal, zárt üzemanyagciklus! • Elektromos teljesítmény: 1000 MW • Hűtőközeg hőmérséklet: 565-850 °C • Sóolvadék gőze nagyon alacsony nyomású. • Elektromos áram és hidrogéntermelés egyaránt. • Jó konverziós tényező. • Alkalmas aktinidák átalakítására, transzmutációra. Székesfehérvár, 2005. március 12.


30

4. Nátrium hűtésű gyorsreaktorok • Sodium-Cooled Fast Reactor -- SFR • Üzemanyag: U/Pu fém vagy oxid tartalmú só, zárt üzemanyagciklus! • Termikus teljesítmény: 1000 - 5000 MW • Hűtőközeg-hőmérséklet: 530-550 °C • Nyomás alacsony: 1 bar körüli • Jó konverziós tényező akár 1,3! Székesfehérvár, 2005. március 12.


31

5. Szuperkritikus vízhűtésű reaktorok • Supercritical-Water-Cooled Reactor -- SCWR • Hűtőközeg: könnyűvíz. • Üzemanyag: Hasonló a PWR üzemanyaghoz. • Hőmérséklet és nyomás a kritikus pont felett: >374 °C, >22 MPa, nincsen forráskrízis; gőzleválasztók, gőzszárítók, gőzfejlesztők feleslegesek. • Termikus és gyors reaktor is. • Jó hatásfok: 44% • Konverziós tényező akár 1,3! Székesfehérvár, 2005. március 12.


32

6. Nagyon magas hőmérsékletű reaktor • Very-High-Temperature Reactor – VHTR • A HTGR továbbfejlesztése. • Gázhűtésű reaktor akár közel 1000 °C-os hőmérsékletű hűtőközeggel. • Elektromos áram és hidrogéntermelés. • Hatásfok 50% felett.

Előd: magas hőmérsékletű tóriumos reaktor (THTR) Székesfehérvár, 2005. március 12.


33

Hazai teendők •

• •

A meglévő atomerőművi blokkok üzemidőhosszabbítása, amely az energiatermelés mellett a szakma hosszú távú perspektíváját is megadja. A szakember utánpótlás, a szakmai kompetencia folyamatos fenntartásának biztosítása. Az atomenergetikához kapcsolódó intézményrendszer (oktatás, kutatás, hatóság stb.) hosszú távú fenntartása.



34

Hazai teendők A BME szerepe a nukleárisszakember-képzésben: – TTK nukleáris szakirányú mérnök-fizikus képzés – Energetikai (gépész)mérnök BSc atomenergetika szakirány (szakirány felelős a BME NTI) – 2005-től – Javasoljuk nukleáris mérnök MSc képzés indítását a BME-n (NTI + Gépészkar közösen) – 2006/2007-ben induló mérnök-fizikus BSc, majd MSc képzés nukleáris tárgyakkal – TTK doktori iskola, nukleáris technika az NTI-ben – Reaktortechnikai szakmérnök képzés – Nemzetközi tanfolyamok és kurzusok (European Nuclear Education Network) Székesfehérvár, 2005. március 12.


35

Hazai teendők • •

•

•

Új (3/3+ generációs) atomerőművi blokk építése. Egy jobb hatásfokú atomenergia-rendszer, valamint a nagy aktivitású és/vagy hosszú felezési idejű radioaktív hulladékok transzmutációjának intenzív kutatása nemzetközi összefogásban. Az atomerőművi üzemanyagciklus zárása, a fenntartható atomenergia-rendszer nemzetközi megvalósítása. Természettudományokat és fizikát értő-tisztelő társadalmi környezet kialakítása és ápolása. Székesfehérvár, 2005. március 12.


36

A neutron felfedezésétől a negyedik generációs atomerőművekig

Recommend Documents