Atomenergetika Erőművek felépítése

Atomenergetika Erőművek felépítése

Atomenergetika Az Európai Uniós atomerőművek jellemzése

 az összes villamosenergia 35%-át adják ám 2015 és 2030 között elérik a tervezett élettartamuk végét Franciaország – 86%; Magyarország – 40%

 nagyon megbízható áramellátást tesznek lehetővé hosszú távon stabil árakon.  nem járnak semmiféle égéstermék keletkezésével, ezért környezetkímélők (nem járul hozzá az üvegházhatáshoz) 700 millió tonna CO2 kibocsátás elkerülését teszik lehetővé, (például úgy lehetne elérni, ha egy évre leállítanánk az összes Európában futó gépkocsit.)

Atomenergetika  legkoncentráltabb primer energiaforrás egy maroknyi urán ugyanannyi elektromos energiát ad, mint 70 t szén vagy 390 hordó olaj. Egy 1 milliós város energiaellátását szolgáló atomerőmű 3 kg uránt fogyaszt naponta.

 legkisebb fajlagos mennyiségű hulladék keletkezik. Atomerőművi szilárd hulladék csak egy ezred része a széntüzelésű erőmű hulladékának.

Kapcsolódó fogalmak Bomlási sor vagy radioaktív bomlási sor: A radioaktív elem atomjainak bomlási lépéssorozata. Minden lépésben egy-egy új elem atomja keletkezik és a sort egy stabilis atommal rendelkező elem képződése zárja le. Felezési idő: Az az időtartam, amely alatt egy radioaktív elem mintájában lévő atomok fele elbomlik. Ugyanezen idő alatt a kibocsátott sugárzás felére csökken. Különböző radioaktív anyagok felezési ideje különböző lehet: pl. uránium-238: 4,5 milliárd év, rádium-221: 30 másodperc.

Kapcsolódó fogalmak Aktivitás Aktivitásnak nevezzük az 1 másodperc alatt bekövetkező bomlások számát.[Bq]- Becquerel Radioaktív hulladékok csoportosítása aktivitás szerint:  kis aktivitású hulladék: 500 000 Bq/kg alatt  közepes aktivitású hulladék: 500 000 Bq/kg - 5 000 000 kBq/kg  nagy aktivitású hulladék: 5 000 000 kBq/kg felett. A magátalakításoknál keletkező magok gyakran nem stabilak, radioaktív bomlás során egy másik elemmé alakul . Urán plutóniummá alakul, mely mesterséges elem. A periódusos rendszer utolsó természetes tagja az U, a Pu kettővel utána következik

Atomerőművek működési elve A hagyományos hőerőművek kazánjában lezajló égés helyett, a reaktorban lezajló folyamatok termelik az energiát, amellyel a vizet gőzzé alakítják, s a gőz (hasonlóan mint a hőerőművekben) a turbógenerátorokat meghajtva villamos energiát termel. Az atomerőművek a bomlási (hasadási) magreakció, fisszió energiájával fűtött hőerőművek (villamos energia).

Atomerőművek működési elve Az urán izotópjai: urán-235 és urán-238 (7:1000) U-238-as atommagja neutronnal ütközve nehezebben hasad, mint U-235 U-238 átalakulhat plutónium-239-vé, de ez neutronnyelő folyamat (az U-235 hasadási esélyét rontja) MEGOLDÁS: U-235 dúsítása-speciális ultracentrifugálás neutronok mozgását moderátorral lassítják (ütközési esély növelése)

Uránfelhasználás folyamata  Urán bányászat: külszíni fejtéssel (Magyarországon Kővágószőlős) (mélyfejtés nem gazdaságos -1200m-en 70°C van) UF4 alakjában és U3O8-sárga, nedves massza formában  Átalakítás: dúsítással U-235 mennyiségét 0,7%-ról 2-4%ra növelik  Fűtőelemgyártás: UO2 tokba helyezik ( ceruza), ezeket 6-szöletű vékony, víz ellen szigetelt csövekbe töltik  Felhasználás: reaktorokban  Reprocesszionálás: a még hasznosítható urán és plutónium szétválasztása a keletkezett hulladékoktól  Ideiglenes tárolás; végső elhelyezés

Uránfelhasználás folyamata

Atomerőművek működési elve U-235 maghasadása: atommagot körülvevő neutronok atommagnak ütköznek,  két újabb (gyors) neutron keletkezik  ezek atommagtól kirepülve újabb atommagokat hasítanak  A folyamat nagy hőtermelődéssel jár

Atomerőművek működési elve Láncreakció kiváltására és fenntartására csak a kis energiájú ún. termikus vagy lassú neutronok alkalmasak. A gyors neutronokat termikus sebességre kell lassítani. (ne legyen robbanásszerű hőfejlődés)

Ezt valósítja meg a moderátor közeg: •

Közönséges víz

Hátránya: hidrogénje sok neutront befog

•

Nehézvíz

ritkán használják

•

Grafit

Hátránya:atommagja lényegesen nagyobb a vizénél tehát lassító hatása rosszabb.

Atomerőművek működési elve A ma működő atomerőművek többségében tehát az 235-ös uránizotóp hasadásának energiáját hasznosítják. Az erőművek fűtőanyaga urán-dioxid, vagy urán-karbid pasztillák formájában kerül a reaktorba. A pasztilla ceruzaelem méretű, melyből több millió szükséges. A

pasztillákat speciális cirkónium-ón-krómnikkel-vas ötvözetekből készült csövekbe töltik (fűtőelem), melyeket nyalábokba összefogva helyeznek el a reaktorban.

Urán-dioxid pasztillák és fűtőelem

Atomerőművek működési elve maghasadás hőjét a reaktorból elvezethetik :  Közvetlenül :vízzel nyeletik el a reaktor hőjét és gőz keletkezik  Közvetve: reaktornak van egy ún. primer vagy nyomott vizes köre, melyben a nagyobb nyomású víz egy hőcserélő segítségével párologtatja el a szekunder körben lévő, légköri nyomású vizet. A szekunder körben keletkező gőzt vezetik a turbinára. A turbina generátort működtet, mely elektromos áramot állít elő.

Atomerőművek működési elve

Reaktorok típusai Könnyűvizes reaktorok: ezekben mind a moderátor, mind a hűtőközeg könnyűvíz (H2O). - forralóvizes (BWR: Boiling Water Reactor) reaktorok - nyomottvizes (PWR: Pressurized Water Reactor) .

Nehézvizes reaktorok: a moderátor, és a hűtőközeg is nehézvíz (D2O).

Grafitmoderátoros reaktorok: - gázhűtésű reaktorok (GCR: Gas Cooled Reactor), és a - könnyűvíz hűtésű reaktorok (RBMK)

Reaktorok típusai Forralóvizes reaktor(BWR: Boiling Water Reactor)

1 Reaktortartály 2 Fűtőelemek 3 Szabályozórúd 4 Keringtető szivattyú 5 Szabályozórúd hajtás 6 Frissgőz

7 Tápvíz 8 Nagynyomású turbina 9 Kisnyomású turbina 10 Generátor 11 Gerjesztőgép 12 Kondenzátor

13 Hűtővíz 14 Tápvíz előmelegítő 15Tápvízszivattyú 16 Hűtővízszivattyú 17 Betonvédelem

Reaktorok típusai Nyomottvizes reaktor (PWR: Pressurized Water Reactor)

1 Reaktortartály 8 Frissgőz 2 Fűtőelemek 9 Tápvíz 3 Szabályozórudak 10 Nagynyomású turbina 4 Szabályozórúd hajtás 11 Kisnyomású turbina 5 Nyomástartó edény 12 Generátor 6 Gőzfejlesztő 13 Gerjesztőgép 7 Primer köri keringtető szivattyú

14 Kondenzátor 15 Hűtővíz 16 Tápvíz szivattyú 17 Tápvíz előmelegítő 18 Betonvédelem 19 Hűtővíz szivattyú

Reaktorok típusai Nehézvizes reaktor

Reaktorok típusai Grafitmoderátoros, gázhűtéses reaktor

Reaktorok típusai Grafitmoderátoros, vízhűtéses reaktor 1 üzemanyag 2 Nyomócső 3 Grafit 4 Szabályzórúd 5 Védőgáz moderátor 6 Víz/gőz 7 Cseppleválasztó 8 Gőz a turbinához 9 Gőzturbina 10 Generátor 11 Kondenzátor 12 Hűtővíz szivattyú 13 Hőelvezetés 14 Tápvízszivattyú 15 Előmelegítő 16 Tápvíz 17 Víz visszafolyás

19 Vízelosztó tartály

21 Betonárnyékolás

18 Keringtető szivattyú

20 Acélköpeny

22 Reaktorépület

Paksi atomerőmű A szovjet tervezésű magyarországi atomreaktor VVER440 (Voda-Voda Energeticseszkij Reaktor) Reaktor típusú, könnyűvízzel hűtött és moderált, tartálytípusú, nyomottvizes reaktor Jellemzői:     

Hőteljesítmény: 1375 MW, Villamos teljesítmény: 2x220=440 MW Reaktortartály: a hűtőközeg 125 bár nyomású; 30 éves élettartam. A reaktorból 2x3 hűtőkör szállítja a hőt a gőzfejlesztőhöz (primer kör).  2 db turbinát működtet a 47 bar nyomású telített gőz (szekunder kör).

Paksi atomerőmű Normális üzem esetén az atomerőmű személyzetét és környezetét védelmét biztosítja, hogy a reaktort és a primerkör radioaktív berendezéseit megfelelő vasbeton termekben helyezték el. Legnagyobb üzemzavari esetként a reaktortervezés a primerköri csővezeték törésével számol. A reaktor és primer rendszer kialakítása ebben az esetben is meggátolja mind a reaktor aktív zónájának megolvadását, mind az eltört vezetéken kiszabaduló radioaktív anyag környezetbe jutását.

Paksi atomerőmű

Paksi atomerőmű reaktora

Paksi atomerőmű reaktora

Radioaktív hulladékok tárolása  évezredeken keresztül is veszélyes  térfogata kicsi (1000MW-os erőmű éves hulladéka 2 m3 )  előkezelt csak szilárd hulladékot üvegképző anyagokkal keverik  keveréket olvasztókamrában 1500 °C-ra hevítik  üveg ömledéket rozsdamentes acéltartályokba öntik

Radioaktív hulladékok tárolása Az öntés után lehűlt acéltartályokat leforrasztják ésspeciális beton kamrákban vagy aknában tárolják, ahol folyamatos hűtést kell biztosítani,mert még ezután is hőt termelnek. Folynak kísérletek az üveg kerámiával való kiváltására.

Radioaktív hulladékok tárolása http://www.uic.com.au/graphics/storpondthorp.gif

Radioaktív hulladékok végső elhelyezése  Finnország: az első engedélyezett hely-Balti tenger  USA: Yucca- sivatag hegységében folytatnak vizsgálatokat  Oroszok: egyes plutóniumos tengeralattjáróban a hűtőközeg folyékony Pb-Bi volt. A Pb-Bi hideg hatására megszilárdul A kiszuperált tengeralattjárók temetője az Északi-Tenger egy Oroszországi „holt” tengerrészében van. Ebben a tengerrészben nincs áramlás, élővízzel nincs kapcsolat. Az esetleg elsüllyedő vagy sérült roncsokból nem jut ki sugárzó anyag, mert a Pb-Bi megakadályozza. Mindemellett a környező terület lakatlan.  Kimerült bányákba helyezés bizonytalan-az U vízoldékony!

Nukleáris balesetek  USA(’40s): megfutott a reaktor; a reaktor hűtővize elgőzölgött és kilőtte a szabályzórudat. A két kezelő a szabályzórudat kézzel mozgatta-ma már ezt nem lehet.  Anglia(1954):gázhűtésű reakotrban grafittűz ütött ki, mivel a garfitban összegyűlt energiát nem vonták el.Többszörös vízmennyiséggel hűtötték le.A kikerülő radióaktív metil-jodid ellen a lakosság nem radióaktív (elnyelő) jódot kapott. A létesítményt a 90-es években lebontották.  USA-Herrisburg(1976): a személyzet képzettlensége miatt a reaktorból a cirkónium elgőzölögtette a vizet. Szennyeződés nem történt,mert a védőrendszer nem engedte át a rádióaktivitást.10 év múlva fértek hozzá: 20% maradt épen.  Csernobil(1986):forralóvizes, grafitmoderátorú reaktora volt. Egy kísérlet miatt kiiktatták a összes biztonsági rendszert. (szabályzórúd besüllyesztés,teljesítménycsökkenés, kisegítő hűtőrendszer leállítás, kritikus 30MW teljesítmény-szennyeződés, szabályzórudak kiemelése, teljesítményemelkedés, vészjelzések lekacsolása, ugrásszerű telj növekedés, fűtőelem szétesés,gőzrobbanás )

Hasadás és fúzió Atommagok hasadása és egyesülésekor óriási energia szabadul fel. hasadás=atommag osztódás fúzió=több kisebb atommagból egy nagyobb keletkezik(sokkal nagyobb energiamennyiség szabadul fel) http://berzsenyi.tvnet.hu/tanszek/szam/gurdon/szakdolgozat/keptar/Cernn.jpg

Részecskegyorsító fúziós alagút egy részlete.

Atomenergia-atombomba Ha hasadáskor kevés hasadóanyag van jelen, akkor a neutronok károkozás nélkül jutnak a levegőbe. Ha a hasadóanyag mennyisége elég nagy, a neutronok atommagokkal ütköznek, mielőtt a levegőbe jutnának. Ez a mennyiség a kritikus tömeg . A beindult láncreakció a másodperc 1milliomod részénél rövidebb idő alatt robbanásszerű energiafelszabadulást okoz.

Az atombomba jellegzetes felhője

Atomenergia-atombomba Energiafelszabadulás oka, hogy 1 nehéz atomból keletkező kisebb atomok súlya kisebb A súlykülönbözet energiává alakul és a felszabadulva a megoszlása a következő:  50% a robbanásra fordítódik  1/3-ad rész energia hőenergiává alakul (hőfok olyan magas, hogy 6,5 km-en belül minden elég)

 Maradék gamma és röntgen sugárzás formájában távozik (milliónyi radioaktív részecske kerül a környezetbe) Egy (hasadó) atombomba 20 000 tonna TNT energiájával egyenlő. Egy (fúziós) termonukleáris hidrogénbomba ereje 2-90 millió tonna TNT energiájával lehet azonos.

Hidrogénbomba

Földalatti hidrogénbomba műve

Atombomba pusztítása