Az atommagtól a konnektorig

Az atommagtól a konnektorig (Az atomenergetika alapjai) Dr. Aszódi Attila, Boros Ildikó BME Nukleáris Technikai Intézet

Pázmándi Tamás KFKI Atomenergia Kutatóintézet Szervező:

1

Az atom felépítése – kb. 10-14 m átmérőjű atommag: protonok +

neutronok – kb. 10-10 m átmérőjű elektronfelhő 2

Az atom felépítése Rendszám: a protonok száma

kémiai tulajdonságok

Tömegszám: protonok + neutronok száma

Izotóp: azonos protonszám, de eltérő tömegszám

rendszámmal együtt a magfizikai viselkedés

1H: 1 1H: 2

hidrogén (1 proton, 0 neutron) deutérium (1 proton, 1 neutron) 3

Radioaktivitás • A ma ismert 112 elemnek több, mint 2500 izotópja létezik. • Ezek közül 249 stabil, az összes többi magától elbomlik, azaz radioaktív. • A radioaktív bomlás során minden esetben egy vagy több részecskét sugároz ki a mag. • A leggyakoribb radioaktív sugárzások: az α-, β- és γ-sugárzás. 4

Az alfa-sugárzás • Az atommagot alfa-részecskék (két protonból és két neutronból álló héliummagok) hagyják el. • Az atom rendszáma tehát a bomlás során kettővel, tömegszáma néggyel csökken. • Az alfa-sugárzás igen rövid hatótávolságú, akár egy vékony papírlap is könnyen elnyeli. 5

Béta-sugárzás Negatív béta-bomlás

Pozitív béta-bomlás

• egy neutron protonná alakul a magban

• egy neutron keletkezik egy protonból

• egy elektron kilép a magból

• pozitron lép ki a magból

• a rendszám eggyel nő, a tömegszám változatlan

• a rendszám eggyel csökken, a tömegszám itt is változatlan

6

Gamma-sugárzás • A látható fényhez hasonló, de annál nagyobb energiájú elektromágneses sugárzás. • Ha az atom valamilyen bomlás után még gerjesztett állapotban marad, akkor ezt egy vagy több "adagban", gamma-sugárzás formájában adja le. • Nem változik sem a rendszám, sem a tömegszám. • A gamma-sugárzás áthatoló képessége igen nagy.

7

Neutron-sugárzás • Neutronsugárzás: az atommagból egy neutron lökődik ki. • Pl. a légkör felsőbb rétegeiben, ahol a kozmikus sugárzás részecskéi összeütköznek a levegő molekuláival. • Az urán hasadása során több neutron is kiléphet egyszerre egy atommagból. • A szabad neutron radioaktív: 10,8 perc felezési idővel szétesik egy protonná, egy elektronná és egy antineutrínóvá. 8

Radioaktivitás Felezési idő: az az idő, ami alatt egy radioaktív izotóp adott számú atomjainak fele elbomlik. Pl.: Legyen 10.000 darab trícium atomunk, melynek felezési ideje 12,3 év. Ekkor - 12,3 év múlva 5.000 db, - 24,6 év múlva 2.500 db, - 36,9 év múlva 1.250 db el nem bomlott trícium atomunk lesz. 9

Radioaktivitás • Aktivitás: az 1 másodperc alatt bekövetkező bomlások száma egy adott mintában. • Mértékegysége a Becquerel: 1 Bq=1 bomlás/másodperc. • Pl.: Egy 75 kg-os ember K-40-ből származó aktivitása kb. 5500 Bq, (vagyis másodpercenként kb. 5500 darab kálium-40-es atommag bomlik el a szervezetében) 10

A maghasadás • 1939-ben Hahn és Strassmann: – neutronsugárzás hatására az uránatom magja két közepes atommagra esik szét, eközben újabb neutronok és energia keletkezik

• A természetes urán főbb izotópjai: 99.3 %-a 238-as, 0.7 %-a 235-ös izotóp • Az U-238-as csak igen ritkán hasad, az U235-ös hasadása gyakorlati szempontból sokkal jelentősebb Ö reaktorokhoz dúsítják. 11

A maghasadás • 1 db U-235 elhasadásakor kb. 200 MeV =3.2*10-11 J energia szabadul fel. • Magyarország éves elektromosenergia-fogyasztása 19 t tiszta U-235 elhasadásával fedezhető lenne • Ugyanennyi energiát kapunk 47*106 t (tehát kb. 2,5 milliószor annyi) feketekőszén eltüzelésekor!

12

A láncreakció • A hasadásból átlagosan 2,4 gyors neutron is kilép, ezeket az ún. moderátorral lelassítva újabb hasadásokat hozhatunk létre

13

A láncreakció

Animáció

14

Az atomreaktor • Az atomreaktorban nagy mennyiségű hasadóanyag felhasználásával szabályozott láncreakciót valósítunk meg. • A gyors hasadási neutronok lelassításához kell a moderátor. • A felszabaduló energiát a hűtőközeg segítségével vezetjük el a reaktorból. • A neutronok számának (ezzel a teljesítmény) szabályozására szolgálnak a szabályozó rudak. 15

Az atomerőmű • A hagyományos hőerőművek és az atomerőművek „csak” a hő felszabadulásában különböznek, az elektromosenergiát termelő egység felépítése hasonló • „Az atomerőmű a vízforralás legbonyolultabb módja” 16

Az atomerőmű működése

Animáció

17

Az atomerőművek fő típusai Nyomottvizes reaktorral szerelt (PWR) • Zárt primer kör, • a nagy nyomású (120-140 bar) hűtőközeg nem forr el, • Gőzképződés a szekunder körben -> ”tiszta” gőz

Forralóvizes reaktorral szerelt (BWR) • Nincs külön primer és szekunder kör • A kisebb nyomású hűtőközeg a reaktorban elforr • Az áramtermeléshez használt gőz radioaktív lehet 18

Nyomottvizes reaktorral szerelt atomerőművek térfogatkompenzátor

sz. rudak hajtása szabályozórudak

gőzfejlesztő

fűtőelemek reaktortartály

fő keringető szivattyú

frissgőz

turbina

generátor

tápvíz

előmelegítő betonvédelem

kondenzátor

tápvízszivattyú

hűtővíz

19

Forralóvizes reaktorral szerelt atomerőművek reaktortartály

fűtőelemek

frissgőz

tápvíz

turbina

generátor

szabályozórudak

sz. rudak hajtása fő keringető szivattyú

előmelegítő

betonvédelem tápvízszivattyú

kondenzátor

hűtővíz 20

Atomreaktorok Magyarországon Paks

Nyomottvizes

Energetikai

4*440 MWe

KFKI

„Medence” típusú „Medence” típusú

Kutató

10 MWth

Oktató / kutató

100 kWth

BME

21

Indítsunk reaktort! 1. „Csupasz” reaktor, külső neutronforrás nélkül szabályozó és BV rudak

fűtőelemek

Indítás előtt: - A szabályozó és biztonságvédelmi rudak leeresztve - A reaktorban alig van hasadás, ill. szabad neutron Animáció, program

© Kerntechnische Gesellschaft – H.-M. Prasser, 2003

22

Indítsunk reaktort! 1. „Csupasz” reaktor, külső neutronforrás nélkül szab. rudak

Indítás során: - Egyszerre kihúzzuk a biztonságvédelmi rudakat - A reaktorban még mindig alig van hasadás, ill. szabad neutron

© Kerntechnische Gesellschaft – H.-M. Prasser, 2003

23

Indítsunk reaktort! 1. „Csupasz” reaktor, külső neutronforrás nélkül

Indítás során: - Felhúzzuk a szabályozó rudakat

neutronok

© Kerntechnische Gesellschaft – H.-M. Prasser, 2003

- A reaktorban megjelennek a hasadási neutronok, de igen kis számban

24

Indítsunk reaktort! 1. „Csupasz” reaktor, külső neutronforrás nélkül Neutronfluxus és teljesítmény

Indítás során: - A neutronok és a hasadások száma lassan nő szab. rudak pozíciója

© Kerntechnische Gesellschaft – H.-M. Prasser, 2003

- A szabályozó rudak pozíciójával a teljesítmény szabályozható

25

Indítsunk reaktort! 2. „Csupasz” reaktor, külső neutronforrással

Indítás során: méréshatárváltás

- Megfelelő rúdmagassággal elérhető a 100%-os teljesítmény - A neutrondetektor méréshatárát váltani kell!!!

© Kerntechnische Gesellschaft – H.-M. Prasser, 2003

26

Indítsunk reaktort! 2. „Csupasz” reaktor, külső neutronforrással

Indítás során: - Indítás előtt ugyanaz a helyzet - BV rudak után a szabályozókat is kihúzzuk

© Kerntechnische Gesellschaft – H.-M. Prasser, 2003

27

Indítsunk reaktort! 2. „Csupasz” reaktor, külső neutronforrással

Indítás során: - Behelyezzük a külső neutronforrást külső neutronforrás

© Kerntechnische Gesellschaft – H.-M. Prasser, 2003

- Ennek hatására sokkal gyorsabban nő a neutronfluxus

28

Indítsunk reaktort! 3. Reflektoros reaktor, külső neutronforrással reflektor

Indítás előtt: - Indítás előtt ugyanaz a helyzet - A reaktor körül ún. reflektor, amely a zónából kilépő neutronokat visszaveri a zónába (víz, grafit) © Kerntechnische Gesellschaft – H.-M. Prasser, 2003

29

Indítsunk reaktort! 3. Reflektoros reaktor, külső neutronforrással

Indítás során: - A reaktorból kilépő neutronok nem „vesznek el” - Gyorsabban nő a neutronfluxus

© Kerntechnische Gesellschaft – H.-M. Prasser, 2003

30

Indítsunk reaktort! 3. Reflektoros reaktor, külső neutronforrással

Kiégés: - A hasadóanyag fogyásának figyelembe vételére is lehetőség van kiégés

© Kerntechnische Gesellschaft – H.-M. Prasser, 2003

31

SCRAM Reaktor gyorsleállítás Animáció

Információ: [email protected] [email protected] 32