Tematika 1. Az atommagfizika elemei 2. Magsugárzások detektálása és detektorai 3. A nukleáris fizika története, a nukleáris energetika születése 4. Az atomreaktor 5. Reaktortípusok, és csoportjaik a felhasználás módja szerint 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 5. előadás
Reaktorok osztályozása 5. fejezet
5. előadás
Reaktorok osztályozási szempontjai
5. előadás
Reaktorok osztályozása 1.
Energiatartomány szerint
2.
Hasadóanyag szerint • Urán, tórium vagy plutónium reaktorok
3.
A hasadóanyag dúsításának a foka szerint •
Dúsítás: Az a bonyolult és energiaigényes folyamat, amelyben a természetes uránban igen kis hányadban (0,7 %) jelen lévő 235-ös tömegszámú uránizotóp részarányát megnöveljük. A legtöbb reaktortípus csak dúsított uránnal tud működni.
4.
A moderátor anyaga szerint • Víz, nehézvíz, grafit moderátorú reaktorok
5.
A hűtőközeg szerint • Víz, gáz, fém hűtéses reaktorok
6.
Felhasználás szerint
5. előadás
Reaktorok osztályozása 1.
5. előadás
Energiatartomány szerint • Azon energiatartomány, amelybe a hasadást kiváltó neutronok energiája esik. a) Termikus: a hasadások zöme termikus energián megy végbe o A hasadóanyagok hasadási keresztmetszete termikus energiákon több százszor nagyobb, mint nagyobb energiák tartományában o A hasadáskor keletkezett nagyenergiájú (MeV) neutronokat nagyon le kell lassítani moderátorban o A hasadóanyag ne nyelje el a neutronokat, hanem csak lassítsa azokat o Hasadóanyag: természetes urán, ha a moderátor grafit vagy nehézvíz (urán + grafit erőműnél a hűtés nitrogén vagy CO2 = gázgrafit rendszerű erőmű – Franciaország, Anglia, Oroszország Csernobil) b) Intermedier: a hasadások zöme 100 eV és termikus energia között történik o Dúsított urán o Egymáshoz nagyon közel helyezett fűtőanyagok neutronok nem tudnak teljesen termalizálódni c) Gyors: a hasadások nagy része 100 eV feletti energiatartományban megy végbe o Új hasadóanyag: 239Pu tenyésztve a reaktorhoz o Hűtéshez: folyékony fémek (folyékony Na, K)
Reaktorok osztályozása • A plutónium tenyésztés (gyors reaktorokhoz): 238
𝑈+𝑛 → 92
239
∗ 𝑈 +𝛾 92
239𝑈 ∗ 92
→
(𝑁𝑝: neptunium)
239𝑁𝑝 ∗
+ 𝛽− + 𝜐
239𝑁𝑝 ∗
239𝑃𝑢 ∗ + 𝛽 − + 𝜐 → 94
93
93
Megjegyzés: A * instabil, könnyen továbbalakuló magot jelent 5. előadás
Reaktorok osztályozása 6. Felhasználás módja szerint: a) Energiatermelő erőművi reaktorok i. Könnyűvizes (LWR – Light Water Reactor) 1. Nyomottvizes (PWR – Pressurized Water Reactor) 2. Forralóvizes (BWR – Boiling Water Reactor) ii. Nehézvizes iii. Grafitmoderátoros b) Hasadóanyag-termelő reaktorok c) Kutató- vagy kísérleti reaktorok d) Kritikus rendszerek vagy zéró teljesítményű reaktorok e) Oktatóreaktorok f) Nagy fluxusú reaktorok g) Impulzusreaktor
5. előadás
a) Energiatermelő erőművi reaktorok • • •
Értelmezés (erőművi reaktor):
Az olyan atomreaktort, amelyben ipari méretekben használják fel a hasadási energiát rendszerint elektromos energia nyerésére, erőművi reaktornak nevezzük. Értelmezés (egy reaktorállapotbeli reaktivitás): Valamely reaktorállapotban a neutronmérleg állásának mérőszámát, a kritikustól való távolság számszerű kifejezését egy reaktorállapotbeli reaktivitásnak nevezzük. A reaktivitás ütemét meghatározó tényezők: A reaktivitás mértéke üzemelés közben általában csökken. A csökkenés ütemét határozza meg: o A reaktivitás hőfokfüggése • A reaktor biztonságos üzemét segíti • Ha nő a hőmérséklet a rendszerben, akkor a reaktivitás csökken. • A reaktivitás csökkenésével a hasadások száma (hőtermelés) is csökken. • A reaktor adott esetben le is áll. o Hasadási termékek • Az erőmű indításához többletreaktivitásra van szükség • Megindított erőműben a teljesítmény fenntartásához is szükség van többletreaktivitásra a keletkezett hasadási termékek neutronabszorbeáló hatása miatt • Értelmezés (mérgeződés): Az erőműben a neutronelnyelő hasadási termékek felgyülemlését mérgeződésnek nevezzük. • Termikus reaktorban a legfontosabb méreg a 135Xe. Ennek az abszorpciós hatáskeresztmetszete (elnyelési képessége és valószínűsége) nagyon nagy. Leállítás után a reaktor ún. Xe-gödörbe kerül, azaz nem lehet mindjárt újraindítani. o Kiégés • Értelmezés (kiégés): Egy nukleáris erőműben a hasadóanyag mennyisége üzemelés közben folytonosan csökken. Ezt a természetes folyamatot nevezzük kiégésnek. • Sebessége függ a reaktor típusától. (Tenyésztő reaktorban a hasadóanyag mennyisége nő. Ez reaktivitás emelkedést jelentene. A folyamatot a szabályzórudak beengedésével kell szabályzás alatt tartani.) 5. előadás
Az energiatermelő erőművi reaktorok legfőbb csoportjai (moderátor alapján) 1.
5. előadás
Könnyűvizes reaktor – LWR (Light Water Reactor) o Értelmezés (könnyűvizes reaktor): Az olyan erőművi energiatermelő reaktort, ahol a moderátor és a hűtőközeg normál víz, könnyűvizes reaktornak nevezzük. o A világon működő 438 reaktor egységből 347 LWR. o Legbiztonságosabb o 8000 üzemóra / év (kb. 333 nap) o Kihasználtság kb. 90% o Energia hatásfoka 25-30% o Típusai: • Nyomottvizes reaktor – PWR (Pressurized Water Reactor) (amelynek a primer vízkörében a nagy nyomás miatt állandóan cseppfolyós a víz és csak a szekunder körben fejlesztenek gőzt, amely a turbinákat működteti) o Primer vízkörben még 300-400 °C-on sem forr a víz o Vastag falú reaktortartály kell (10-20 cm) o Hőcserélőn át melegítik a szekunderköri vizet • Forralóvizes reaktor – BWR (Boiling Water Reactor) (egyetlen vízköre van és nem alkalmaznak túlnyomást a vízkörben) o A vizet engedik felforrni o A gőzt közvetlenül a turbinákra vezetik
Nyomottvizes reaktor séma - PWR Forrás: wikipedia
1. Reaktortartály 2. Fűtőelem 3. Szabályozórúd 4. Szabályozórúd hajtás 5. Nyomáskiegyenlítő 6. Gőzfejlesztő
5. előadás
7. Tápvíz 8. Nagynyomású gőzturbina 9. Kisnyomású gőzturbina 10. Generátor 11. Gerjesztőgép 12. Kondenzátor 13. Hűtővíz
14. Tápvízelőmelegítő 15. Tápvízszivattyú 16. Hűtővízszivattyú 17. Keringető szivattyú 18. Villamos távvezetékhez 19. Friss gőz 20. Beton sugárvédelem, konténment
Forralóvizes reaktor séma - BWR Forrás: wikipedia
1. Reaktortartály 2. Fűtőelem 3. Szabályozórúd 4. Érzékelők 5. Szabályozórúd hajtás 6. Friss gőz
5. előadás
7. Tápvíz 8. Gőzturbina nagynyomású ház 9. Gőzturbina kisnyomású ház 10. Generátor 11. Gerjesztőgép 12. Kondenzátor tartály 13. Hűtővíz
14. Tápvíz előmelegítő 15. Tápvízszivattyú 16. Hűtővízszivattyú 17. Betonsugárvédelem 18. Villamos távvezetékhez
Az energiatermelő erőművi reaktorok legfőbb csoportjai (moderátor alapján) 2.
Nehézvizes (D2O) reaktor – CANDU (CANada Deuterium Uranium) o a reaktortartály több száz csővel van keresztüldöfve. Ezekben a csövekben vannak az üzemanyagrudak, amik így külön-külön elérhetők, lehetővé téve az üzem közbeni üzemanyagrúd-cserét. o az üzemanyagrudakat könnyen át lehet helyezni – attól függően, hogy mennyi hasadóképes atommag maradt bennük o a reaktortartálynak nem kell nyomástűrőnek lennie, mivel a moderátor csak a keresztirányú csövekben van nagy nyomás alatt. o az alacsony nyomás és hőmérséklet miatt sokkal egyszerűbb szenzorokkal is követni lehet a reaktorban végbemenő folyamatokat o természetes uránnal is működik, viszont a nagy mennyiségű tiszta nehézvíz óriási kezdeti kiadást jelent
5. előadás
Nehézvizes reaktor séma – CANDU
5. előadás
Forrás: wikipedia
Az energiatermelő erőművi reaktorok legfőbb csoportjai (moderátor alapján) 3. Grafit reaktor o RBMK - Reaktor Bolsoj Mosnosztyi Kanalnij, jelentése "Csatorna-típusú, nagy energiakimenetű reaktor", oroszul: Реактор Большой Мощности Канальный • Elavult típus, de még van belőle a régi Szovjetunió területén • Működése megegyezik a forralóvizes reaktoréval, csak a moderátor grafit • Óriási hátránya a forralóvizes reaktorral szemben: a reaktor megszaladása nehezen kezelhető! (szabályozó rudakkal) – CSERNOBIL is ilyen!!! o Gázhűtésű reaktor
5. előadás
Grafit moderátoros reaktor séma - RBMK Forrás: wikipedia
5. előadás
Hasadóanyag-termelő reaktorok • Kettős célúak: o Energiatermelés + hasadóanyag termelés
• Értelmezés (tenyésztő reaktor): Ha egy reaktor üzeme során nagyobb mennyiségű új hasadóanyag keletkezik, mint amennyi elfogy, akkor tenyésztő reaktorról, vagy breeder reaktorról beszélünk. • Gyors neutronokkal működnek
5. előadás
Kutató-, kísérleti reaktorok • Értelmezés (kutatóreaktor): Az olyan nukleáris reaktort, amely a működése során keletkezett nagy neutronintenzitást, nagy neutronfluxust használja fel fizikai, kémiai, biológiai kísérletek, illetve izotópgyártás, anyagvizsgálat, stb. céljaira kutató- vagy kísérleti reaktoroknak nevezzzük. • A keletkezett hőt nem szabad felhasználni (zavaró a kísérleteknél) • Teljesítményük általában 10 kW – 50 MW. • Pl. KFKI telephely Atomenergia Kutató Intézetének erőműve
5. előadás
Kritikus rendszerek • Értelmezés (kritikus rendszerek vagy zéróteljesítményű reaktorok): Az olyan nukleáris erőműveket, illetve neutronsokszorozó rendszereket, amelyekkel tudományos kutatásokat folytatnak a reaktorfizika területén, kritikus rendszereknek vagy zéróteljesítményű reaktoroknak nevezzük. • Teljesítményük nagyon kicsi, néhány watt, majdnem nulla. (Innen a névadás) • Működésük közben sem hűtésre, sem sugárzás elleni védelemre nincs szükség (az alacsony teljesítmény miatt) • Kritikus rendszeren végzett kísérletsorozat után kerül sor egy atomerőmű a pontos megtervezésre és kivitelezésre • (Pl. KFKI Atomenergia Kutató Intézetében lévő erőmű is lehet kritikus rendszer.)
5. előadás
Oktatóreaktorok • Értelmezés (oktatóreaktor): Az olyan nukleáris erőművet, amely szakemberek képzésére szolgál oktatóreaktornak nevezzük. • Pl. Magyarországon a Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen működő reaktor ilyen.
5. előadás
Nagy fluxusú reaktor • Értelmezés (nagy fluxusú reaktor): Az olyan nukleáris reaktort, amelyben igen nagy vagy kiemelkedően nagy neutronfluxus érhető el, nagy fluxusú atomreaktornak nevezzük. • Példa: ILL – Institut Laue – Langevin, Grenoble, Franciaország o Francia – német – angol fejlesztés o 1971 o Fűtőanyaga 93%-on (!) dúsított 235U. (általában 3-4%-ra dúsítanak 0,7%-ról) o Moderátor és hűtőközeg: nehézvíz (D2O: D: deutérium) o Speciális kiképzésű fűtőelemek o Reaktor zóna: 40 cm (átmérő) + 80 cm (magas) o Teljesítmény: 57 MW
o Reaktor fluxusa: 𝟏, 𝟓 ∙ 𝟏𝟎𝟏𝟓
5. előadás
𝒏𝒆𝒖𝒕𝒓𝒐𝒏 𝒄𝒎𝟐 ∙𝒔
(óriási!)
Impulzusreaktorok • Értelmezés (impulzusreaktor): Az olyan nukleáris reaktort, amely a működése során nem állandó jelleggel, hanem szakaszosan vagy impulzusszerűen szolgáltatja a neutronokat, impulzusreaktornak nevezzük. • Példa: IBR – Egyesített Atomkutató Intézet, Dubna o o o o o
A világ első és máig egyetlen impulzusreaktora 1960 óta Lenyűgözően egyszerű működési elv Fizikai mérésekhez hasznos Az impulzusok közti időszakban a háttér sokkal kisebb, ami timeof-flight (TOF) vagy repülésiidő-méréseknek kedvező
5. előadás
IBR1 séma - Dubna • • •
• • • • • •
• • • •
Két forgó korong 235U-t tartalmazó korong forgás közben az urán meghatározott időben közel kerül a plutónium rudakhoz és amikor egy vonalba esnek a reaktor szuperkritikus lesz. 4-50 impulzus / s Ha a korongok kifordulnak a szuperkritikusság megszűnik Korong d = 112 cm f = 3000 1/s Kisegítő korong fordulatszáma szabályozható Léghűtéses Teljesítmény: 1960-ban: 6 kW 1968-69-ben: 30 kW csúcs: 150 MW (impulzus alatt) Impulzusszélessége: 50 s IBR-2 – átépített változat Teljesítmény: 4 MW, csúcsban: 7700 MW 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛 Neutronfluxus: 1,5 ∙ 1018 2 5. előadás
𝑐𝑚 ∙𝑠
IBR2 séma - Dubna
5. előadás
