FENNTARTHATÓ FEJLİDÉS ÉS ATOMENERGIA

FENNTARTHATÓ FEJLİDÉS ÉS ATOMENERGIA

Tartalom

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

2. elıadás AZ ATOMREAKTOROK FIZIKAI ÉS TECHNIKAI ALAPJAI ATOMERİMŐVEK 2007/2008. tanév ıszi féléve Dr. Csom Gyula professor emeritus

Fenntartható fejlıdés és atomenergia

Dr. Csom Gyula, BME NTI

2/1

Magfizikai alapok Reaktortechnikai alapok, reaktortípusok Atomerımővek A VVER-440-es atomerımő (paksi atomerımő) Egzotikus reaktorok---jégtörık Atomenergia-rendszerek Fıbb ellenırzı kérdések


1. MAGFIZIKAI ALAPOK

[

E k = ∆Mc 2 .....

Dmag ≅ 10−13 −10−12 cm,Datom ≅ 10−8 cm

Vmag Vatom

≈ 10

M mag M elektronhéj

ρ mag

⇓ >>

−12

− 10

e

k

=

E

k A

]

MeV nagyságrendő (elektronoké az atomban: eV nagys.r.)

MeV >> nukleon

e k,elektronhéj

−15

≈ 2 ⋅103 − 7 ⋅103 1. ábra. A fajlagos kötési energia tömegszám(A) függvényében

ρ atom


2/ 3


1. MAGFIZIKAI ALAPOK - 3

D+D = 4He reakciónál: ef ≅ 24 MeV/fúzió

• Maghasadás MeV ≅ 200MeV / hasadás nukleon

• Ezek: energetikai lehetıségek • Feltételek: a reakciók valóban le is játszódjanak – Magfúziónál: igen magas hımérséklet – Maghasadásnál: Gerjesztés: neutronnal Spontán (nagy A-nál)



2/ 4


MAGENERGIA-HASZNOSÍTÁS ELVI LEHETİSÉGEI • Magfúzió


[

Fajlagos kötési energia

Bohr-féle atommodell (1913)

Ek ≅ 236 ⋅ 0,9

]

∆M = Zm p + Nm n − M = Zm p + (A − Z)m n − M > 0

Kötési energia (Heisenberg, 1933)

m: tömeg, E: energia, c: vákuumbeli fénysebesség


2/ 2

1. MAGFIZIKAI ALAPOK - 2 Tömegeffektus

Az energia és a tömeg ekvivalenciája (Eistein, 1905) E E = mc 2 → = c 2 m

Atom: atommag+elektronhéj


STABIL IZOTÓPOK ATOMMAGJAINAK ÖSSZETÉTELE

• • • •

N-Z görbe Neutrontöbblet Neutronfelesleg Neutronhiány

2. ábra. A neutron- és a protonszám összefüggése a stabil izotópok magjában (N-Z-görbe)

2/ 5



2/ 6



RADIOAKTIVITÁS Oka: az atommag instabilitása (N-Z görbe) • Fajtái: alfa-sugárzás béta-sugárzás gamma-sugárzás proton-sugárzás neutron- sugárzás (!) • Felezési idı NEUTRON-MAGREAKCIÓK • Abszorpció – Hasadás: (n,f) – Befogás: (n,γ) • Szórás: (n,n) – Rugalmas – Rugalmatlan • Töltött részecske reakciók: (n,p), (n,α)

MAGHASADÁS (O. Hahn és F.Strassmann, 1939. dec.)

• Prompt neutronok (energia szerinti eloszlás) • Késı neutronok (energia szerinti eloszlás) • Hasadási termékek (hasadványok)

•••

•

Magreakciók valószínősége



2/ 7




2/ 8

1. MAGFIZIKAI ALAPOK - 8 A NUKLEÁRIS LÁNCREAKCIÓ (Szilárd Leó szabadalmi bejelentése, 1935.)

Egyik lehetıség:

Keletkezési gyakoriság: yi



2/ 9


• • •

Neutronciklus Ciklusidı Sokszorozási tényezı:

•

Reaktivitás:

• • •

Kritikusság: k = 1, ρ = 0 Szuperkritikusság: k >1, ρ > 0 Szubkritikusság: k < 1, ρ < 0 Fenntartható fejlıdés és atomenergia


2/ 10

2. REAKTORTECHNIKAI ALAPOK, REAKTORTÍPUSOK

MAGÁTALAKÍTÁS

• Atomreaktorok felépítése:

• Izotóptermelés • Új hasadóképes izotópok elıállítása

– Termikus reaktorok – Gyorsreaktorok – Intermedier reaktorok

• Sokszorozási tényezı – Végtelen reaktorra: k∞ – Véges reaktorra: – Reaktivitás:

• Hosszú élető radioizotópok átalakítása (transzmutáció) – Hasadási termékek: pl. 99Tc(2,1×105 év), 129I(1,6×107 év) – Aktinidák: Domináns aktinidák (Pu-izotópok)


k∞

– Promptkritikusság

Másodlagos aktinidák: pl. 237Np(2,14×106 év), 241Am(433 év), 245Cm(9300 év)


keff = P k∞ <

k −1 ρ = eff k eff

2/ 11

• Aktív zóna • Kritikus tömeg • Kritikus térfogat Fenntartható fejlıdés és atomenergia


2/ 12

2. REAKTORTECHNIKAI ALAPOK, REAKTORTÍPUSOK - 2

• Atomreaktorok csoportosítása

CSOPORTOSÍTÁS A RENDELTETÉS ALAPJÁN • Szubkritikus rendszerek • Kritikus rendszerek • Kutatóreaktorok • Forrásreaktorok • Anyagvizsgáló reaktorok • Oktatóreaktorok • Energetikai reaktorok

– Homogén reaktorok – Heterogén reaktorok – Csupasz reaktorok – Reflektoros reaktorok

• Üzemanyag:

U-fém UO2 MOX (UO2+PuO2) UC

• Moderátor:

H2 O D2 O Grafit


••• Fenntartható fejlıdés és atomenergia


2/ 13



2/ 14



ENERGETIKAI REAKTOROK TÍPUSAI – GGR (incl. Magnox reaktorok) – AGR – HTGR – THTR – LWR: PWR BWR – HWR: (incl. CANDU) – RBMK – FBR: LMFBR GCFR – Sóolvadékos reaktorok (homogén) – Gyorsítóval hajtott szubkritikus rendszerek

NÉHÁNY TECHNIKAI ÉS ÜZEMI JELLEMZİ



• • • • • • •

Üzemanyag-átalakulás üzem (kiégési ciklus) közben Kiégési szint: Q, MWnap/kgü.a. Elérhetı kiégési szint: Q0 , MWnap/kgü.a. Üzemanyag-hasznosítási hatásfok (1-5%) Természetesurán-hasznosítás hatásfoka – anyaghatásfok (0,5-1%) Méret (energetikai reaktorok esetében: 20-800 m3) Teljesítménysőrőség (aktív zóna térfogatára vonat-koztatva energetikai reaktorok esetében: 10-500 kW/liter) • Fajlagos beruházási költség (atomerımőre: ~1000-2000 euro/kWel)

2/ 15


3. ATOMERİMŐVEK


2/ 16

3. ATOMERİMŐVEK - 2

AZ ATOMERİMŐVEK ÉS A KONVENCIONÁLIS ERİMŐVEK FELÉPÍTÉSÉNEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA



2/ 17

PWR - nyomottvizes reaktorok (nyomott tartályos reaktor)



2/ 18



PWR - nyomottvizes reaktorok

Mőszaki és üzemi jellemzık Üzemanyag Az U-235 dúsítása Főtıelemek száma

UO2 1.9 % / 2.5% / 3.5 % 193

A főtıelempálcák száma főtıelemenként 236 Az üzemanyag tömege 103 t A főtıelempálcák hossza összesen: aktív rész: A főtıelempálcák átmérıje A szabályozórudak száma Az abszorbens anyaga Hőtıközeg és moderátor Termikus reaktorteljesítmény Bruttó elektromos teljesítmény Nettó elektromos teljesítmény


4,83 m 3,90 m 10,75 mm 61 In-Ag-Cd

Nettó hatásfok A kiégetés mértéke Átlagos teljesítménysőrőség a reaktorzónában A hıátadó felület a reaktorzónában A kondenzátor hőtıfelülete A turbina fordulatszáma Primer köri belépı hımérséklet Primer köri kilépı hımérséklet Primer köri víznyomás Gızforgalom

kb. 35,5 % 53 000 MWd / t U

• Primer köri jellemzık (p, T) • Szekunder köri jellemzık (p, telített gız) • Üzemanyag dúsítása • Erımő hatásfoka (∼32−34%) • Biztonsága • Gazdaságossága

93,2 kW / dm3 6 036 m2 3*20 781 m2 1 500 / min 291.3 oC 326.1 oC 157 bar 67680 t/h

desztillált víz Gıznyomás

66 bar

Gızhımérséklet

285 oC

Tápvíz hımérséklet

218 oC

3765 MW 1395 MW 1 326 MW


2/ 19





BWR - forralóvizes reaktorok (nyomott tartályos reaktor)

Mőszaki és üzemi jellemzık Üzemanyag

UO2

Az U-235 dúsítása Az üzemanyag tömege

3,49 és 3,31% 151 t

Főtıelemek száma

840

A főtıelempálcák száma főtıelemenként Főtıelempálcák hossza

72 4,17 m

49,6 MW / m3 kb. 45 000 MWd/t U 7 963 m2

Szabályozórudak száma

Gızhımérséklet

283 oC

Gıznyomás

67 bar

Gızforgalom

7200 t/h

Tápvíz belépı hımérséklet

215 oC

Bruttó elektromos teljesítmény

2/ 21

1 260 MW 34,1%

Főtıelempálcák átmérıje 11 mm 205

Bórkarbid és hafnium Hőtıközeg, moderátor és desztillált víz a turbina munkaközege Termikus teljesítmény 3 690 MW


Nettó elektromos teljesítmény Nettó hatásfok Átlagos teljesítménysőrőség a reaktorzónában A kiégetés mértéke

A hıátadó felület a reaktorzónában A kondenzátor 3*20 000 m2 hőtıfelülete A turbina fordulatszáma 1 500 / min

Az abszorbens anyaga


2/ 20



1 316 MW


2/ 22


HWR - nehézvizes reaktorok (nyomott csöves reaktor)



2/ 23



2/ 24



HWR - nehézvizes reaktorok • • • •

Fı jellemzıi: (CANDU6) hőtıcsatorna hossza: 630 cm Csatornánként 14 főtıelemköteg Főtıelemköteg: L = 49 cm, D = 10 cm • Primer köri nyomás: pki = 113,5 bar • Szekunder köri nyomás: 47 bar • Erımő hatásfoka: 30−31%



2/ 25




2/ 26

3. ATOMERİMŐVEK - 12 Mőszaki és üzemi jellemzık Termikus teljesítmény Elektromos teljesítmény Hatásfok Hasadóanyag Az urán össztömege Az U-235 dúsítása Moderátor Moderátor össztömege Nyomott csövek száma főtıelemenként Egy nyomott csı hossza Egy nyomott csı külsı átmérıje Főtıelemek szám csövenként

RBMK - grafit moderálású (nyomott csöves reaktor) RBMK vízhőtéső – grafitreaktorok moderálású

vízhőtéső reaktorok • • • •

Nagy méret Nyomott csöves Grafit moderátor Elgızölgı H2O hőtıközeg • Belsı biztonsága hiányos (Csernobil)



2/ 27



18 kb. 3,65 m 211 20 cm/s 40 cm/s H2O 270 oC 284 oC 37 600 t/h

22 m 88 mm 2

Frissgız nyomás Frissgız tömegáram

70 bar 5 780 t/h


2/ 28

Gyorsreaktoros atomerımő • • • • • • • •


Üzemanyagpálcák száma főtıelemenként Főtıelemek hossza Szabályozórúd vezetıcsövek száma Pálca behatolási sebessége szabályozáskor Pálca behatolási sebessége leállításkor Hőtıközeg Hőtıközeg belépı hımérséklete Hőtıközeg kilépı hımérséklete Hőtıközeg tömegárama


Gyorsreaktoros atomerımő (háromkörös reaktor)


3200 MW 1000 MW 31 % UO2 kb. 190 t 2% grafit kb. 1700 t 1661

2/ 29

Háromkörös Bonyolult a technológia Hőtıközeg: Na Primer köri nyomás: alacsony Primer köri hımérséklet: magas Szekunder köri nyomás és hımérséklet: magas Erımő hatásfoka: magas Tenyésztési tényezı > 1 szaporító reaktor Beruházási költség: legnagyobb az atomerımővek között



2/ 30


4. A VVER-440-ES ATOMERİMŐ (PAKSI ATOMERİMŐ)

A VILÁG ATOMERİMŐVEINEK TÍPUSONKÉNTI MEGOSZLÁSA



2/ 31



2/ 32

4. A VVER-440-ES ATOMERİMŐ (PAKSI ATOMERİMŐ) - 2


Fı jellemzıi:

Reaktortartály – Magasság: 13,75 m – Külsı átmérı (aktív zóna magasságában): 3,84 m – Anyaga: gyengén ötvözött acél (15H2MFA) -- 140 mm vastag; belsı rozsdamentes acél bevonat (08H18N12B) - 9 mm vastag – 6 be- és kiömlés egymás fölött – Teljes magasság felsı blokkal együtt: 23,77 m.

– – – –

Háromszög rács Hatszöglető főtıelemköteg 349 főtıelemköteg Aktív zóna: H=250 cm, D=286 cm – Üzemanyag: kis dúsítású UO2 (3,6-3,9%) – Szabályozó kazetták



2/ 33



•

Az elsı atomjégtörı a szovjet Lenin (19571989). Három, egyenként 90 MW termikus teljesítményő PWR hajtotta, 5% dúsítású urán-oxid üzemanyaggal.

Lenin (SZU) (1957-1989) Dr. Csom Gyula, BME NTI

2/ 35

2/ 34

5. EGZOTIKUS REAKTOROK - JÉGTÖRİK •




Arktika (SZU) (1975- ) Dr. Csom Gyula, BME NTI

2/ 36

5. EGZOTIKUS REAKTOROK – JÉGTÖRİK - 2

6. ATOMENERGIA-RENDSZEREK

• Az elsı atom-tengeralattjáró a Nautilus (1954-1983, PWR). •

Minden energiatermelési módnál az egész vertikumot kell vizsgálni (gazdasági, környezeti szempontok) Az atomenergia-rendszer felépítése függ: • Az atomerımővek típusától • A nukleáris üzemanyagciklus kialakításától • Nyitott üzemanyagciklus • Zárt nem egyensúlyi üzemanyagciklus • Zárt egyensúlyi üzemanyagciklus • Szimbiotikus atomerımő-rendszer üzemanyagciklusa • A radioaktív hulladékok kezelési módjától és végleges elhelyezésétıl

PWR és LMBR (!) reaktorokkal készülnek

Nautilus SSN-571, az elsı atom-tengeralattjáró Fenntartható fejlıdés és atomenergia


2/ 37


6. ATOMENERGIA-RENDSZEREK - 2 •


6. ATOMENERGIA-RENDSZEREK - 3

Csak termikus reaktoros atomerımőveket tartalmazó atomenergiarendszer nyitott üzemanyagciklussal

•

Csak termikus reaktoros atomerımőveket tartalmazó atomenergiarendszer zárt üzemanyagciklussal

Termikus atomerımő Bányászat

Konverzió és izotópdúsítás

Termikus atomerımő Bányászat

Üzemanyaggyártás

Konverzió és izotópdúsítás

U

Hulladékkezelés, végleges elhelyezés

Üzemanyag tárolás



2/ 39

Hulladékkezelés, végleges elhelyezés Fenntartható fejlıdés és atomenergia

6. ATOMENERGIA-RENDSZEREK - 4 •

Termikus atomerımő Konverzió és izotópdúsítás

Üzemanyaggyártás Pu

U

Hulladékkezelés, végleges elhelyezés Fenntartható fejlıdés és atomenergia

Transzmutáló reaktor

Reprocesszálás (újrafeldolgozás)


Üzemanyaggyártás Pu

Reprocesszálás (újrafeldolgozás) Dr. Csom Gyula, BME NTI

Üzemanyag tárolás 2/ 40

Fıbb ellenırzı kérdések

Kétszeresen zárt (hulladékrecirkulációs) szimbiotikus atomenergiarendszer

Bányászat

2/ 38

Gyors tenyésztıreaktor

Üzemanyag tárolás 2/ 41

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17.

Írja fel a tömeg és az energia ekvivalenciáját kifejezı összefüggést! Mekkora az atommag és az atom átmérıjének nagyságrendje? Mekkora az atommag és az atom térfogatarányának nagyságrendje? Mekkora az atommag és az elektronhéj tömegarányának nagyságrendje? Mik az izotópok? Milyen nukleonokból épül fel az atommag? Mi a tömegszám? Mi a tömegdefektus? Írja fel a meghatározását megadó összefüggést! Mi a kötési energia? Írja fel kapcsolatát a tömegdefektussal! Mi a fajlagos kötési energia? Írja fel meghatározó összefüggését! Mekkora az atommagra vonatkozó fajlagos kötési energia nagyságrendje? Mekkora az elektronhéjba kötött elektron fajlagos kötési energiájának nagyságrendje? Rajzolja fel a fajlagos kötési energia tömegszám-függését? A magenergia-hasznosítás elvi lehetıségei az ek = f(A) diagram alapján. Magfúziónként felszabaduló energia. Maghasadásonként felszabaduló energia. A magfúzió megvalósulásának feltétele!



2/ 42

18. Rajzolja fel a stabil izotópok N-Z görbéjét! 19. Mi a neutrontöbblet? 20. Mi a neutronfelesleg? 21. Mi a neutronhiány? 22. Mi a radioaktivitás kiváltó oka? 23. A radioaktivitás fajtái. 24. Mi a felezési idı? 25. Milyen neutron-magreakciókat ismer? 26. Mik a prompt neutronok? 27. Mik a késı neutronok? 28. Mik a hasadási termékek (hasadványok)? 29. Mik a primer és a szekunder hasadványok? 30. Rajzolja fel a hasadványok keletkezési gyakoriságát tömegszámuk függvényében! 31. Rajzolja fel a nukleáris láncreakció sémáját! 32. Mi a neutronciklus és a ciklusidı? 33. Mi a sokszorozási tényezı és a reaktivitás? 34. Mi a kritikusság, szuperkritikusság, szubkritikusság feltétele? Fenntartható fejlıdés és atomenergia


35. Írja fel az új hasadóképes izotópok elıállítási sémáját! 36. Mi a transzmutáció? 37. A reaktorok fajtái a hasadást kiváltó neutronok energiája alapján. 38. Mi az aktív zóna? 39. Mi a kritikus tömeg és a kritikus térfogat? 40. Milyen üzemanyagfajtákat ismer? 41. Milyen moderátor anyagokat ismer? 42. Ismertesse az atomreaktorokat rendeltetésük szerint. 43. Melyek a legfontosabb energetikai atomreaktor-típusok? 44. Mi a kiégési és az elérhetı kiégési szint? 45. Milyen anyaghatásfok érhetı el termikus reaktorokban? 46. Nagyságrendileg mekkora teljesítménysőrőség érhetı el az atomreaktorokban? 47. Nagyságrendileg milyen határok között mozog a termikus reaktorok térfogata. 48. Rajzolja fel egy nyomottvizes reaktoros atomerımő egyszerősített kapcsolási sémáját. 49. Mi a főtıelem és a főtıelemköteg? 50. Rajzolja fel egy elgızölögtetı reaktoros atomerımő egyszerősített kapcsolási sémáját! 2/ 43

51. Hasonlítsa össze a PWR-t és a BWR-t néhány fontos jellemzıjük alapján. 52. Mi a CANDU reaktor? 53. Mi az RBMK típusú reaktor? 54. Ismertesse a gyorsreaktoros atomerımő egyszerősített kapcsolási sémáját! 55. Hozzávetılegesen milyen részarányt képviselnek a PWR-es, a BWR-es és a gyorsreaktoros atomerımővek a világ atomerımő-kapacitásában? 56. Milyen reaktortípussal épült a paksi atomerımő? 57. Milyen egzotikus atomreaktorokat ismer? 58. Ismertesse a nyitott üzemanyagciklusú atomenergia-rendszer felépítését! 59. Ismertesse a zárt üzemanyagciklusú atomenergia-rendszer felépítését! 60. Ismertesse a kétszeresen zárt (hulladékrecirkulációs) szimbiotikus atomenergiarendszer felépítését.



2/ 45



2/ 44

FENNTARTHATÓ FEJLİDÉS ÉS ATOMENERGIA

Recommend Documents