Quo vadis nukleáris energetika

Quo vadis nukleáris energetika Berta Miklós

Fizika és Kémia Tanszék Széchenyi István Egyetem Győr

Az előadás vázlata

• „Energiaéhség” • Energiaforrások • Maghasadás és magfúzió • Nukleáris energetika • Atomerőmű működése • Fúziós erőmű elvi működése • Radioaktivitás • Nukleáris biztonság és tervezés • Atomerőművek alkalmazásának haszna • Atomerőművek alkalmazásának kockázatai • INES skála • Nukleáris balesetek (Three Mile Island, Csernobil, Fukushima) • Mit tanulhatunk a balesetekből? • Merre tovább? 2011.05.10.

Quo vadis nukleáris energetika videokonferencia előadás a SZE - ről

2

„Energiaéhség”

Népességrobbanás 2011.05.10.


3

A világ energiaigényének alakulása 2011.05.10.


4

A légkör CO2 koncentrációjának változása 2011.05.10.


5

Energiaforrások • fosszilis energiaforrások (szén, olaj, földgáz) – kimerülőben • vízenergia – korlátos mennyiség adott területen • nukleáris energia – fissziós (jelenlegi technológia alkalmazása mellett kb. 100 évig áll rendelkezésre,) fúzió (ma még nem látjuk a rendelkezésre állás időkorlátját ) • alternatív energiaforrások (napenergia, szélenergia, geotermikus energia, árapály energiája stb.) – korlátlan ideig rendelkezésre áll, de korlátos mennyiségben

Megnyugtató megoldás lehet nukleáris + alternatív együtt 2011.05.10.


6

Maghasadás és magfúzió

2011.05.10.


7

Atomerőmű működése

2011.05.10.


8

Fúziós erőmű elvi működése

2011.05.10.


9

Radioaktivitás • természetes (

 , ) ,sugárzások 

• mesterséges (  ,  ,)+ neutron sugárzások Bomlási törvény t

N (t )  N 0 2

 t1/ 2

A felezési időt nem tudjuk külső tényezőkkel befolyásolni.

2011.05.10.


10

Nukleáris biztonság és tervezés

Haszon ↔ Kockázat Mérlegelés, és társadalmi kockázatvállalás

Pl.: Tegyük fel, hogy a súlyos atomerőművi baleset kockázata 0,001 /év. Ez azt jelenti, hogy egy adott erőműben 1000 évenként bekövetkezik egy ilyen baleset. Elfogadható? Igen?! De! 400 erőművi blokk van a világon. 2,5 évente egy súlyos baleset valahol a világban. Elfogadható? Nem!! Ezért a mai atomerőművi blokkokban a súlyos baleset kockázata 10-5év. Elfogadtuk! Autóvezetés kockázata: ~ 200 halál/ 1000000 emberre/év= 2.10 -4/év 2011.05.10.


11

Atomerőművek alkalmazásának haszna

• nagy energiasűrűség (kb. 100 milliószor nagyobb mint a fosszilis energia esetében), ezért kisebb tömegű hulladék azonos energiafelhasz-nálás mellett • nincs CO2 kibocsátás (egy paksi blokk ~ 1 - 4 ppm-nyi CO2 kibocsátás-tól ment meg bennünket évente)

• hosszú távú (~ 100 – 200 év) készletek hasadóanyagból a jelenlegi technológia mellett is

2011.05.10.


12

Atomerőművek alkalmazásának kockázatai

• radioaktív anyagok környezetbe történő nagymértékű kibocsátásának potenciális veszélye súlyos baleset következtében • hosszú felezési idejű hasadási termékek a hulladékban. (sokáig kell ellenőrzött körülmények között tárolni)

• FIGYELEM !! Egy atomreaktor nem robbanhat fel nukleáris bombaként!

Nincsenek ehhez meg a fizikai előfeltételek.

2011.05.10.


13

INES skála

2011.05.10.


14

Nukleáris balesetek – Three Mile Island (1979)

2011.05.10.


15

• Karbantartási munkálatok során egy, a tervdokumentáción fel nem tüntetett csőbe víz került, amely a pneumatikus rendszerhez kapcsolódott és elzárta a gőzfejlesztő tápvízrendszerének egy szelepét. Az esemény perceken belül kiváltotta a turbina kiesését és az üzemzavari tápvízszivattyúk beindulását.

• Az üzemzavari tápvízszivattyúk nem szállítottak elegendő vizet, mert két nappal korábban zárva felejtették az üzemzavari tápvízrendszer szelepeit. • Működésbe lépett a vészleállító rendszer, a zónába kerültek a szabályozó és biztonságvédelmi rudak. A reaktor leállt, de a radioaktív hasadási termékek maradványhője még ekkor is jelentős. Tehát a zóna hűtéséről a továbbiakban is gondoskodni kell. • Az elégtelen hőelvezetés miatt nőtt a nyomás a primer körben, aminek következtében kinyílt a nyomáskiegyenlítő tartály lefúvató szelepe.

• A nyomás csökkenésekor a térfogatkompenzátor lefúvató szelepének vissza kellett volna zárnia. Ez azonban nem következett be, mert a szelepen kivált bórsav ezt megakadályozta. Ez még önmagában nem lett volna probléma, mivel a szelep kézzel is zárható. De a blokkvezénylőben a kijelző nem a szelep fizikai állapotát mutatta, hanem azt, hogy a szelepet nyitó szerkezet kap-e feszültséget vagy sem. Vagyis a kijelző azt mutatta, hogy a szelep nyitására vagy zárására kapott-e utasítást a rendszer.

2011.05.10.


16

• Az operátorok, akik nem ismerték fel a csökkenő nyomás okát - hogy nem zárt vissza a lefúvató szelep és így nyitott a primer kör - leállítják az időközben - szintén automatikusan és helyesen - beindult nagynyomású üzemzavari zónahűtő rendszert. A hűtőrendszer feladata, hogy ilyen szituációkban is ellássa megfelelő mennyiségű hűtőközeggel a zónát. • A reaktortartályban tovább csökkent a nyomás, elkezdett elforrni a hűtőközeg, míg körülbelül a baleset első eseménye után két órával a zóna felső része víz nélkül maradt. A fűtőelemek burkolatának hőmérséklete elérte a 1100 °C-t, a burkolatok felnyíltak és elkezdődött a víz-cirkónium reakció: Zr + 2 H2O = ZrO2 + 2 H2.

• A felszabaduló hidrogén egy része kijutott a konténmentbe ,és később egy kisebb robbanás is bekövetkezett. A robbanás a vezénylőben is hallható volt, az operátorok mégsem szereztek róla tudomást. • A zónában elhelyezett hőmérők jelét feldolgozó számítógépi program nem vette figyelembe a zóna kiszáradásának lehetőségét, a gép ezért a valós magas hőmérsékletadatok helyett ekkor csupán kérdőjeleket nyomtatott. A személyzet ezért nem szerzett tudomást a zónában lejátszódó eseményekről. Végül egy szakértő mintegy két és fél órával az üzemzavar kezdete után - feltette a döntő kérdést: lezárták-e kézzel a nyomásszabályozó szelepet? A válasz: "Igen, ebben a pillanatban."

2011.05.10.


17

• Ettől kezdve a reaktor állapota nem volt veszélyes, de még több, mint tíz órába telt, mire az egyik főkeringtető szivattyút beindíthatták és a reaktor állapota stabilizálódott.

5 – ös esemény az INES skálán

• Nem volt halálos áldozat • 10 mérföldes körzetben egyénenként max. a természetes háttérsugárzás harmadát szenvedhették el. Ezen a zónán kívül nem volt kimutatható egészségügyi hatás. • Lényegében a reaktorból kikerült jelentős mennyiségű radioaktivitás a konténmenten belül maradt, csak elenyésző része került ki a környezetbe. • A sérült 2. blokk áll, de az 1. blokk üzemidejét nem régen hosszabbí-tották 2034-ig.

2011.05.10.


18

Nukleáris balesetek – Csernobil (1986)

2011.05.10.


19

• A reaktor konstrukciójából adódóan a névleges teljesítmény 20%-a alatt pozitív visszacsatolású, öngerjesztő ,instabil rendszer! • Egy üzemi kísérletet terveztek, amihez le kellett állítani (TILOS) az üzemzavari hűtőrendszert. - szabályok súlyos megszegése

• A megkezdett kísérletet fel kellett függeszteni, mert kellett a termelt energia. A reaktor 50%-on tovább üzemel. Neutronmérgek halmozódnak a reaktorban – a reaktor egyre szabályozhatatlanabb. • 9 óra múlva folytatják a kísérletet. További teljesítménycsökkentés. (~ 24%) a reaktor közel öngerjesztő és csak kismértékben szabályozható. Le kellett volna állni!! • Műszakváltás – a kísérletre fel nem készített személyzet, aki nincs tisztában a reaktor állapotával. • Véletlen esemény következtében a teljesítmény 1%-ra esik. Öngerjesztő folyamatok indulnak ,és a reaktor csak kevéssé szabályozható. • A reaktort megpróbálják leállítani, de a leállító rudak egy tervezési hiba miatt rövid időre növelik a teljesítményt, ami a pozitív visszacsatolás miatt a névleges teljesítménynél 100x nagyobb teljesítményt alakít ki.

2011.05.10.


20

• Az összes hűtőközeg gőzzé válik. - gőzrobbanás – a reaktor kinyílik

• A vízgőz és a cirkónium ezen a magas hőmérsékleten hidrogént termel, amely a levegő oxigénjével elkeveredve gázrobbanáshoz vezetett. Zr + 2 H2O = ZrO2 + 2 H2.

• Grafittűz – magasba emeli a kikerült radioaktív szennyeződést, így azok messzire juthatnak a szél irányában. (Nyugati irányú volt!)

7 – es esemény az INES skálán 60 halálos áldozat a baleset következtében, vagy közvetlenül utána.

Várható maximum 4000 áldozat a baleset következtében.

2011.05.10.


21

Nukleáris balesetek – Fukushima (2011)

Elsődleges kiváltó okok •9 – es erősségű földrengés •15 – 20 m magas cunami

2011.05.10.


22

• A földrengéskor 3 blokk üzemel a 6-ból. De az álló reaktorokból is el kell vezetni a maradványhőt!

• A földrengés kiváltja a reaktorok biztonsági rendszerében a reaktorok biztonságos leállítását. - a reaktorok tervezett módon viselkednek, pedig csak 6,5 – ös erősségű földrengésre vannak tervezve • A földrengés következtében ledőlnek a villamos hálózat oszlopai – nincs villamos energia a hálózatról az erőművekben. Indulnak a maradványhőt elhűtő diesel generátorról működtetett szivattyúk. Tervezett súlyos baleseti scenario!

• Számoltak a cunami veszéllyel, ezért a reaktorok az óceánszint felett 10 m-re vannak építve. De 15 m magas nagy impulzusú vízoszlop érte el Fukusimát. • Leállnak a maradványhőt elvezető szivattyúk. (Az 5. és 6. blokkon nem.) • 1 – 3 blokkokon az aktív zóna hűtés nélkül marad. Az üzemanyag cirkónium burkolata a vízgőzzel ezen a magas hőmérsékleten reakcióba lép. Nagy mennyiségű hidrogén termelődik. Zr + 2 H2O = ZrO2 + 2 H2. • A hidrogén kijut a konténmentből – gázrobbanás és a reaktorépületek megsérülnek, de a konténmentek nem.

2011.05.10.


23

• különböző mértékű zónaolvadás az 1 – 3 blokkokon • 4. blokk állt a földrengéskor. A teljes aktív zóna kiemelve a reaktorból és hűtve a pihentető medencében. A cunami következtében megszűnik a hűtés a pihentető medencében. Innentől a dolgok lefolyása hasonlít az 1 – 3 blokkokban lejátszódott folyamatokhoz.

7 – es esemény az INES skálán?! Halálos áldozata az eddigi eseményeknek nincs. A radioaktív kibocsátás sokkal kisebb mértékű mint Csernobilban volt.

Fukusima = Csernobil ???? Neeeem!!!!!

2011.05.10.


24

Mit tanulhatunk a balesetekből?

• Igen magas szinten képzett üzemeltető személyzetre van szükség. Nem elég az „ezt tedd, ha ezt látod” típusú képzés, hanem értenie kell a személyzetnek a reaktorokban lezajló bonyolult fizikai folyamato-kat!! • Nem szabad engedélyezni olyan folyamatokat egy atomerőműben, amelyek az üzemeltetési előírások megszegésével járnak. • Nem szabad engedélyt adni olyan reaktorra, amelyikben pozitív teljesítmény visszacsatolás alakulhat ki! • Szabad-e földrengésveszélyes területen atomreaktort működtetni? Ha ez elkerülhető, akkor kerüljük el, de erre nem mindig van mód! • Ahol szökőár alakulhat ki, ott az erőműveket ne az óceánpartra telepítsük, még ha a hűtés megoldása drágábbá is teszi az üzemeltetést! • Dolgozzunk ki olyan biztonsági eljárásokat, amelyek működését természeti törvények garantálják! Inherens biztonság fontossága.

2011.05.10.


25

Merre tovább? • üzemidő hosszabbítás tervei a legtöbb reaktor esetében – az előzetes üzemidő becslések túl konzervatívak voltak.

• 3. generációs (evolúciós) reaktorok kereskedelmi kínálatban (súlyos baleset kockázata 10-6/év) • 4. generációs reaktorok a tervezőasztalokon • új technológiák munkába állítása a hasadóanyagok jobb kihasználása érdekében

• radioaktív hulladék kezelési technológiáinak fejlesztése • a radioaktív hulladék tárolási biztonságának folyamatos fejlesztése

2011.05.10.


26

• fúziós energetika minél hamarabbi szolgálatba állítása • szakemberképzés színvonalának folyamatos emelése

• természettudományos és műszaki műveltség színvonalának emelése a nem szakemberek körében is (ismeretterjesztés)

Könnyű az atomenergetikát bírálni, de nehéz nélküle a mai, vagy a mainál magasabb életszínvonalon élni! Köszönöm megtisztelő figyelmüket!

2011.05.10.


27

Quo vadis nukleáris energetika

Recommend Documents