Tematika 1. Az atommagfizika elemei 2. Magsugárzások detektálása és detektorai 3. A nukleáris fizika története, a nukleáris energetika születése 4. Az atomreaktor 5. Reaktortípusok a felhasználás módja szerinti csoportosításban 6. Atomreaktorok generációi 7. Magyarországi atomerőművek 8. Mini atomerőművek 9. Reaktorbiztonság, sugárvédelem 10. Atomerőmű balesetek 11. Atomerőmű és környezetvédelem 12. Fúziós erőművek 13. Természetes reaktorok 4. előadás
Az atomreaktor 4. fejezet
4. előadás
Tartalom • • • • •
A maghasadás A láncreakció A neutronok lassítása A reaktorok szabályozása Egy atomreaktor működési elve
4. előadás
A maghasadás
4. előadás
E
4. előadás
A maghasadás • Értelmezés (bomlás): o Egy magreakciót bomlásnak nevezünk, ha egy nagyobb tömegű atommag önmagától, avagy spontán módon két kisebb tömegű atommagra szakad vagy esik szét.
• Értelmezés (maghasadás, vagy indukált hasadás): o Egy magreakciót maghasadásnak nevezünk, ha egy nagyobb tömegű atommag külső neutronnal való kölcsönhatás eredményeként két kisebb tömegű magra esik szét és a két kisebb tömegű keletkezett mag tömegei összemérhetők.
BOMLÁS
MAGHASADÁS !!!
Mi történhet a neutronokkal??
neutron alapmag 4. előadás
fragmentek keletkezett neutronok
A maghasadás mechanizmusa Kr 92X
235
n
U
236U
n
236U
n
141Y
Ba Neutron befogás
Instabil mag
Kritikus deformáció
Neutron befogás:
-
235U-ban a befogott neutron kötési energiája (236U lesz belőle) ~ 6.4 MeV. a 235U-t majdnem bármilyen energiájú neutron
elhasítja, de a kisenergiájúaknak van erre nagy esélyük. - 238U által befogott urán kötési energiája ~ 5 MeV - a 238U-t csak azok a neutronok hasítják, amelyek kinetikus energiája nagyobb 1 MeV –nál. (gyors hasítás)
4. előadás
Fragmentek (keletkezett magok) Gyors neutronok keletkeznek
A maghasadáskor felszabaduló energia • A maghasadáskor energia szabadul fel! • A hasadás pillanatában felszabaduló energia: 𝑄 = 𝑚235𝑈 + 𝑚𝑛 + 𝑚𝑋 + 𝑚𝑌 ∙ 𝑐 2 𝑄𝑡𝑒𝑙𝑗𝑒𝑠 ≈ 210 𝑀𝑒𝑉 (1 eV = 1,602 · 10-19 J)
4. előadás
A láncreakció
4. előadás
Feltétel • A hasadás során neutronok lépnek ki a magból, amely neutronok egy része további hasadást indukálhat az őt körülvevő hasadóanyagban. • Ha egy vagy egynél több neutron kelt újra hasadást, akkor a hasadás önfenntartó lesz és láncreakció következik be. • Ha átlagosan egy neutron kelt újabb hasadást, akkor a felszabaduló energia állandó. Ez a helyzet a reaktorban. • Ha egynél több neutron kelt újabb hasadást, akkor a felszabaduló energia exponenciálisan növekszik. Ez a helyzet az atomreaktorban az indítás után a megadott teljesítmény eléréséig. Továbbá, ez a helyzet – ellenőrizhetetlenül – az atombombában. 4. előadás
Nukeáris reaktor • Értelmezés (nukleáris reaktor): Nukleáris reaktornak (vagy kevésbe pontosan atomreaktornak) nevezzük azokat a berendezéseket, amelyekben neutron által kiváltott maghasadások mennek végbe, és ennek során energia szabadul fel. • A reaktorfizika kulcsa a neutron. A terület fő problémája éppen a neutronok vándorlásának, diffúziójának és sokszorozódásának tárgyalása.
• Mennyi a valószínűsége annak, hogy egy maghasadás során kilépett neutron újabb maghasadást idéz elő? 4. előadás
Neutronok lassítása
4. előadás
Mi történhet a neutronokkal?? Lassú neutron: (termikus) 2200 m/s
1. lehetőség: „szerencsétlen neutron”: Elhagyja a reaktort vagy a környező grafit falról visszaverődik 2. Lehetőség: szabályozó rúdba ütközik és lelassul vagy befogódik moderátorban elnyelődik 3. Lehetőség: „szerencsés neutron”: lassul
4. előadás
• A kilépő neutronokkal a következők történhetnek: 1. Kilépnek a rendszer felületén. 2. A hasadóanyaggal együtt jelen levő nem hasadó anyagokban fogódnak be. 3. Hasadóanyagban fogódnak be, de nem idéznek elő maghasadást. 4. Hasadóanyagban fogódnak be és hasadás következik be.
• A reaktor működését tekintve az egyetlen hasznos folyamat a 4. folyamat.
4. előadás
Neutronok • Neutronok lehetnek: o Prompt neutronok: • 99,3% • 10-12 s alatt születik o Késő neutronok: • Hasadási termék mag által kibocsátott neutronok • 1s – 1 perc • A késő neutronok teszik szabályozhatóvá a láncreakciót
4. előadás
Neutronok lassítása •
• • • • •
•
A meghasadásnál, nagy energiájú, gyors neutronok keletkeznek, azonban a keletkező elektronoknak „sebesség-spektrumuk” van. Azaz, vannak lassabb és gyorsabb elektronok. De nagyobb valószínűséggel keletkeznek nagyobb energiájú semleges részecskék. A meghasadásban a neutronbefogás bekövetkezésének valószínűsége nagyobb, ha a neutronok energiája kicsi, azaz a neutron lassú. Ezért a reaktorok működésénél alapvető fontosságú, hogy a hasadásnál keletkező nagy energiájú, gyors neutronokat lelassítsák. A gyors neutronok alacsony rendszámú atommagokból álló közegbe, a közegben elszenvedett sorozatos rugalmas ütközések miatt fokozatosan elveszítik energiájukat, lelassulnak. Értelmezés (moderátor): A nukleáris erőműben, a gyors neutronok lassítására szolgáló szóró anyagi közeget moderátornak nevezzük. Értelmezés (termikus neutronok): A neutron lassítása során a neutronok termikus egyensúlyba kerülnek a szóró közeggel. Az ilyen energiájú neutronokat termikus neutronoknak nevezzük. A sebességeloszlásban a termikus neutronok jellemző energiája kb. 0,025 eV. A moderátor jellemző mennyiségei: o o o o
•
Egy ütközésnél átlagban elveszített energia Az ütközések azon átlagos száma, amíg a neutron a hasadási átlagenergiáról (kb. 2 MeV) lelassul a termikus energiára, azaz kb. 0,025 eV-ra. Lassítási képesség; azaz a neutron lassulása közben összesen mennyi energiát veszített. Moderálási arány;
Jó moderátor anyagok pl: 1H, 2D, 9Be, 12C, H2O, bór (B)
4. előadás
Reaktorok szabályozása
4. előadás
Reaktorok szabályozása • •
• •
•
A láncreakció létrehozásához és fenntartásához a reakciókban résztvevő neutronok számát szabályozni kell. Tudjuk azt, hogy alaphelyzetben sok és nagy energiájú neutronjaink vannak, amelyek ebben az állapotukban nem alkalmasak a maghasadás elindításához. Lassú neutron kell. A neutronok lassításával szabályozható az egész folyamat. Ez úgy történik, hogy a rendszerben szabályozórudakat (pl. valamely bórvegyület) helyeznek el. A szabályzórúd anyaga jó neutron elnyelő, jó abszorber. Szabályozó rudak lehetnek: o Kézi o Automatikus o Biztonságvezérelt
4. előadás
Reaktorok szabályozása •
•
• •
Ha a rudak a reaktorzónába vannak süllyesztve, akkor a neutronelnyelés maximális alig van „szabad” neutron a maghasadás hatáskeresztmetszete (bekövetkezési valüószínűsége) a hasadás bekövetkezéséhez szükséges érték alá csökken a maghasadás nem következik be. Ha a rudak egy adott helyzetében a reaktor kritikus, a rudakat kicsit kijjebb húzva pozitív reaktivitású állapot lép fel. Ekkor a neutronfluxus lassú exponenciális függvény szerint növekszik; a reaktor beindul. Amikor a reaktor a kívánt szintet eléri, ez a szint a rudaknak a reaktortérbe való visszahelyezésével, lesüllyesztésével tartható. Ha a reaktort le akarjuk állítani, akkor a szabályozó rudakat teljesen lesüllyesztjük a zónába!
4. előadás
4. előadás
Reaktorok szabályzása
Forrás: http://www.nyf.hu/others/html/kornyezettud/Kemia-I/Kornykemalapmenu/atomefelhasz.htm
4. előadás
Reaktorok szabályzása
Forrás: http://www.nyf.hu/others/html/kornyezettud/Kemia-I/Kornykemalapmenu/atomefelhasz.htm
4. előadás
Biztonság szavatolása 1. A reaktorok biztonságának szavatolása miatt a rudak leereszthetősége KULCSFONTOSSÁGÚ! Pl. a rudak beejthetők. Áramkimaradás esetén a szabályzórudak a nehézségi erő hatására beesnek a zónába, leállítva a magreakciót. (a nehézségi erő sohasem tűnik el biztonság szempontjából alapozhatunk rá!) Vannak még további biztonsági fékező rudak is a rendszerben. Ha valami oknál fogva az alaprudak nem esnének le a zónába, akkor a „tartalék” rudak beesnek. 2. A reaktorban a legnagyobb biztonságot az adja, hogy a reaktorban a hőmérséklet emelkedésével automatikusan lecsökken a hasadások száma. Így a láncreakció előbb – utóbb befullad. 3. Sugárvédelem: o o o
A hasadás során radioaktív sugárzás keletkezik, amit blokkolni kell! El kell nyeletni, vagyis abszorbeálni kell a sugárzást. Több méter vastag betonköpeny, ún. nehézbeton (gamma-sugárzás ellen is jó)
4. előadás
Egy atomreaktor elvi sémája 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 4. előadás
Reaktor blokk Hűtőtorony Reaktor Kontroll rudak Nyomás kiegyenlítés Gőz generátor Reaktor üzemanyag (hasadóanyag) Turbina Generátor Transzformátor Sűrítő Gáz Folyadék Levegő Nagy páratartalmú levegő Folyó Hűtővíz keringetés Elsődleges kör Másodlagos kör Vízgőz Pumpa, szivattyú
