Egzotikus atomreaktorok

Átírás

1 Egzotikus atomreaktorok Boros Ildikó Atomerőművi technológiák

2 AZ OKLÓI TERMÉSZETES REAKTOROK 2

3 A legelső atomreaktorok - Oklo U-235 izotóparánya a természetes uránban: 0,72% Gabon, Oklo uránbánya: U-235 izotóparánya csak 0,717% Ok: 2 milliárd évvel ezelőtt 17 természetes reaktor üzemelt a területen, akár 1 millió éven keresztül! A természetes reaktorok kialakulását az 50-es években Paul Kuroda már felvetette Az Oklo környéki reaktorok geológiai környezete Forrás: Scientific American 3

4 A legelső atomreaktorok - Oklo A természetes reaktorok kialakulásának feltételei: Magas urántartalmú és megfelelő kiterjedésű, geometriájú érctömeg Megfelelő U-235 tartalom Megfelelő moderátor anyag elérhetősége Ne legyen neutron-abszorbens anyag (ezüst, bór) a reaktor környékén Az U-235 izotóparány változása Forrás: Scientific American 4

5 A legelső atomreaktorok - Oklo A hasadások akkor kezdődhettek, amikor a homokkőzetben az urán koncentrációja elérte a 10%-ot, kb. 3%-os U-235 izotóparány mellett Moderátor: talajvíz A reaktorok több százezer évig működhettek, feltehetően periodikusan (moderátor elforrása miatt), néhány órás periódusokban, megszaladás nélkül A reaktorok az U-235 szegényedése miatt álltak le végleg A 17 reaktor közül 16-ot kitermeltek 5

6 A MAGAS HŐMÉRSÉKLETŰ TÓRIUMOS REAKTOR 6

7 Gázhűtésű reaktorok (GCR, AGR) 7

8 Gázhűtésű reaktorok (GCR, AGR) GCR-t üzemeltető országok: Japán (Tokai-1) Nagy-Britannia AGR-t üzemeltető országok: Nagy-Britannia Tokai (Japán) 8

9 Magas hőmérsékletű tóriumos reaktor (THTR) 9

10 Magas hőmérsékletű tóriumos reaktor (THTR) 10

11 Magas hőmérsékletű tóriumos reaktor (THTR) Termikus teljesítmény MW Abszorbens golyók száma Elektromos teljesítmény MW Primer kör: Hatásfok 40,49 % Hűtőközeg He Hasadóanyag U-235 Kilépő hőmérséklet 750 o C Az U-235 hasadóanyag tömege 344 kg Nyomás 39.2 bar Tenyésztőanyag Th-232 Szekunder kör: Tenyésztőanyag tömege kg Munkaközeg H 2 O A nehézfém hasadó anyag tartalma 5.4 % Tápvíz hőmérséklet 180 o C Abszorbens anyaga B 4 C Frissgőz hőmérséklet 530 o C Üzemanyagot tartalmazó golyók száma Frissgőz nyomás bar Grafit (moderátor) golyók száma Hamm (Németország) 11

12 ATOM-TENGERALATTJÁRÓK 12

13 Egzotikus reaktorok - tengeralattjárók Az első atom-tengeralattjáró a Nautilus ( , PWR). PWR és LMBR (!) reaktorokkal készülnek Nautilus SSN-571, az első atom-tengeralattjáró 13

14 A hagyományos tengeralattjárók határai Az amerikai tengeralattjárók eredményei a második világháborúban: 214 hadihajó és 1178 kereskedelmi hajó elsüllyesztése; ez az összes elsüllyesztések 55%-a volt, ugyanakkor a fegyvernem legénysége a tengerészetnek csupán 1,6%-át tette ki! A háború alatt 52 amerikai, 781 német (korlátlan tengeralattjáró-háború) és 130 japán tengeralattjáró veszett oda. 14

15 A hagyományos tengeralattjárók határai Legelterjedtebb a dízel-elektromos hajtás Főgép: 2 dízelmotor (kb. 3-4 MW/db). Légperiszkóp-pár - tartós periszkópmélységben való maradás. Tömegének 15-20%-a az üzemanyag, hatótávolsága km. Víz alatt: akkumulátorokkal közlekedik. Lehetőségek: néhány óra km/h sebességgel, vagy 100 óra 4-8 km/h sebességgel közlekedve. Újabb lehetőség az AIP (Air-independent Propulsion): üzemanyagcellás hajtás Mozgó alkatrészek hiánya miatt sokkal csendesebb km/h sebesség akkumulátorok nélkül 15

16 Atommeghajtású tengeralattjárók előnyei Sokkal kisebb a logisztikai támogatás igénye: a Nautilus tengeri mérföldet (kb km) tett meg első üzemanyagcseréjéig. Az Enterprise tengeri mérföld (kb km) megtételére képes "tankolás" nélkül! Üzemanyagcsere: 4-5 évente. A nukleáris láncreakció és fenntartása nem igényel oxigént, a legénység számára pedig a tengervízből nyerhető oxigén. Az atommeghajtású tengeralattjáró akár az atmoszférától függetlenül is üzemelhet. 16

17 Mi korlátozza az atom-tengeralattjáró víz alatt töltött idejét? #01 / 17

18 A Nautilus - SSN 571 Kongresszusi felhatalmazás: 1951 júliusában, 18 hónapi építési munkálatok után 1954 január 21-én avatta fel az akkori First Lady, Eisenhower elnök felesége. Az összköltség (pezsgővel együtt) 75 millió dollár volt, ennek harmadát a reaktor tette ki július 23: Pearl Harborról - "Operation Sunshine" - a tengeralattjáró a víz alatt jusson át az északi sarkon. 18

19 A Nautilus - SSN augusztus óra 15 perckor a kapitány a következő szavakkal rendelte el a feladat végrehajtását: "A világért, Országunkért és a Haditengerészetért- az Északi Sarkhoz!" 116 emberrel a fedélzetén véghezvitte a "lehetetlent", a Nautilus elérte az Északi Sarkot. Az első teljes átvizsgálás és üzemanyagcsere: 1959 májusában. Újratöltés nélkül kb km megtételére volt képes a Nautilus. 19

20 A Nautilus - SSN 571 #01 / 20

21 A Nautilus - SSN 571 #01 / 21

22 A Nautilus - SSN márciusában, tehát 14 évvel első vízre bocsátása után rekordot írt a megtett tengeri mérfölddel (kb km). A következő 12 évben tovább szolgált fejlesztési tesztprogramok alapjául. Utolsó víz alatt töltött napja május 26-án volt, tehát több, mint 25 évig szolgált. Jelenlegi állomáshelye : Groton, Connecticut, Haditengerészeti Múzeum. 22

23 USA - Ohio osztály USS Pasadena 18 tengeralattjáró közötti vízre bocsátás S8G reaktorral Los Angeles osztályú 1987-től üzemel S6G reaktorral USS Seawolf A második amerikai atom-tengeralattjáró Na-hűtésű S2G reaktorral (2 évig ) Floridában #01 / 23

24 USA Virginia osztály A legújabb amerikai atomtengeralattjáró-osztály 2004-től üzemben Meghajtás: S9G reaktor (nyomottvizes, GE gyártmány) 30 MW teljesítmény 33 év üzemidő átrakás nélkül! Vízsugárhajtóművel (pump jet propulsion) 12 darab már üzemel, további 16 megrendelve USS Texas (SSN-775) christening ceremony #01 / 24

25 Alfa-osztály (/Lira, SZU) Vízkiszorítás: 2900 t vízfelszínen, 3680 t víz alatt Méretek: 81 m hossz, 9,5 m átmérő Hajtómű: 2 db folyékony fém hűtésű atomreaktor, 2 turbina Sebesség: Legénység: 83,25 km/h 40 fő Ólom-bizmut hűtésű gyorsreaktor, 150 MW. 25

26 Alfa-osztályú vadász (USSR) Építés: 1960-as és 1970-es években Kompakt folyékony ólom-bizmut hűtésű gyors reaktorral rendelkezik, amely nagy teljesítményének köszönhetően 83 km/h-nál nagyobb tenger alatti sebességet tesz lehetővé! Minden más tengeralattjárónál mélyebbre, kb méteres mélységbe képes merülni. Azért bírt ez különös jelentőséggel, mivel ez az akkor használatos torpedók bevethetőségi szintjénél alacsonyabban volt. 26

27 Alfa-osztályú vadász (USSR) Ezen mélység elérését a titán-ötvözetű külső borítása tette lehetővé. A kemény váz egyébként a sekély vízben a hagyományos eszközökkel való elpusztítást is megnehezítette. Első útja: 1971-ben - igen hangos volt a reaktor. 7 üzemelt ebből a típusból, mind leállítva (az első 1974-ben) A NATO akkori megfigyelései szerint olyan gyorsan halad, hogy harci körülmények között gyakorlatilag lehetetlen védekezni ellene. Orosz beceneve "Aranyhal", drága előállítási költségeire utalva. Problémák: korrózió, Po-210 keletkezése 27

28 Orosz atomtengeralattjárók balesetei The K-19 accident at sea in 1961 due to cooling failure in an early PWR resulted in 8 deaths from acute radiation syndrome (ARS) in repairing it (doses 7.5 to 54 Sv) and possibly more later as well as many high doses. The K-27 accident at sea in 1968 also involved coolant failure, this time in an experimental lead-bismuth cooled reactor, and 9 deaths from ARS as well as high exposure by other crew. In 1985 the K-431 was being refuelled in Vladivostok when a criticality occurred causing a major steam explosion which killed 10 workers. Over 200 PBq of fission products was released causing high radiation exposure of about 50 others, including ten with ARS. 28

29 ÚSZÓ REAKTOROK (JÉGTÖRŐK, ÚSZÓ ATOMERŐMŰVEK) 29

30 Az Enterprise anyahajó 1961 novemberében állították hadrendbe, a világ első nukleáris meghajtású repülőgép-hordozó anyahajójaként. Megépítése a modern idők egyik legnagyobb mérnöki teljesítménye: 900 mérnök tervezte meg papíron t teherrel (kb. 100 repülőgép), 64 km/h sebességgel 60 napig tud üzemanyagcsere nélkül cirkálni. 30

31 Az Enterprise anyahajó Személyi állomány: kb fő 25 emelet magas, 78,5 m széles, 342 m hosszú Nyolc PWR típusú reaktor, LE, 220,65 MW Maximális sebesség több, mint 30 csomó, 55,2 km/h 31

32 Nimitz anyahajó Hajó személyzete 3200 fő, a légierőé 2480 fő május 3-án állt hadrendbe. A Nimitz-hez hasonló repülőgép-hordozó anyahajók, amelyekből 10 teljesít szolgálatot a világon, a világ legnagyobb hadihajói. Mindegyiket amerikai elnökről nevezték el, utolsó üzembe helyezett a George H. W. Bush nevű. 32

33 Nimitz anyahajó Építő: Newport News Shipbuilding Co., Newport, Két A4W reaktor, turbina Hossz: 1,092 feet (332,85 méter) Repülő fedélzet szélesség: 252 feet (76,8 méter) Sebesség: 30+ csomó - 55 km/h Repülőgépek: 85 Gyártási költség: 4,5 milliárd USD / db 33

34 Egzotikus reaktorok - jégtörők Jelenleg 6 atomjégtörőből álló flotta Az első atomjégtörő a szovjet Lenin volt ( ) Három, egyenként 90 MW termikus teljesítményű PWR hajtotta, 5% dúsítású urán-oxid üzemanyaggal (eredetileg ). Lenin (SZU) ( ) Arktika (SZU) (1975- ) AE Technológiák 34

35 Egzotikus reaktorok - jégtörők Az újabb atomjégtörők a KLT-40 típusú atomreaktort használják. (35 MW elektromos teljesítményű PWR U-Al ötvözetből készült üzemanyaggal. Zónája 0.95 m magas, 1.2 m átmérőjű.) A Yamal (SZU, ) turistákat szállít a sarkkörre 35

36 Egzotikus reaktorok - úszó erőművek Történelem: Az USA 1950 és 1979 között több kis méretű, kompakt, hordozható atomerőművet gyártott katonai célokra Az úszó atomerőművek távoli katonai létesítmények áramellátását szolgálták (Grönland, sarkvidéki területek) A program a magas költségek miatt zárult le. Az MH-1A Sturgis katonai úszó erőmű (katonai úszó erőmű, 45 MW PWR) 36

37 Egzotikus reaktorok - úszó erőművek Jelenleg építési fázisban Oroszország távol-keleti régióinak áramellátásához Orosz-kínai együttműködés Adatok: 2*35 MW el. teljesítmény (KLT-40S típusú nyomottvizes reaktorral) 40 év üzemidő, 3 évente átrakás üzemeltető személyzet: 60 fő Villamos energia termelés mellett távhő-szolgáltatásra és tengervíz sótalanításra is használható Az úszó erőmű terve 37

38 Úszó atomerőmű (KLT-40S) 2 db KLT-40S reaktor (a jégtörőkön használt KLT-40 alapján fejlesztve) Kis méretű, kompakt primerkör 4 hurok Once-through gőzfejlesztő Térfogatkompenzátor külső gázrendszerrel Passzív biztonsági rendszerek 38

39 Úszó atomerőmű (KLT-40S) 39

40 Úszó atomerőmű (KLT-40S) KLT-40S gőzfejlesztő 40

41 Úszó atomerőmű (KLT-40S) A KLT-40S biztonsági berendezései 41

42 Akademik Lomonoszov az első úszó atomerőmű Névadója Mihail Vasziljevics Lomonoszov ( ) orosz fizikus, kémikus, prózaíró, költő Az első kereskedelmi úszó atomerőmű (két KLT-40S reaktorral) Az építés 2007-ben kezdődött a szeverodvinszki Szevmas hajógyárban, de 2009-ben a szentpétervári Balti Hajógyárba tették át Tervezett indulás: 2018 Célállomás: Csukcs Autonóm Tartomány, Pevek 42

43 ACP100S a kínai úszó atomerőmű 100 MW-os integrált nyomottvizes reaktortípus A demonstrációs reaktor építése idén kezdődik, re lesz kész a tervek szerint 43

44 SMR KIS MODULÁRIS REAKTOROK 44

45 SMR kis, moduláris reaktorok Az 50-es évek óta az atomerőművek teljesítménye 5 MW-ról 1600 MW-ra nőtt Továbbra is sok kis teljesítményű (<200 MW) reaktor, de főleg egyéb alkalmazásokra Költségcsökkentés sztenderdizálással, moduláris építéssel Biztonság növelése: pl. földfelszín alá telepítéssel 45

46 Egzotikus reaktorok - kis teljesítményű, moduláris reaktorok (SMR) Tervezési fázisban Távoli régiók (Alaszka, Szibéria) áram- és hőellátásához, sótalanító üzemekhez MW elektromos teljesítményű blokkok Jellemzők: magas dúsítású urán üzemanyag (4-20 %), kis méretű aktív zóna, ritka üzemanyagcsere (2-15 év), passzív rendszerek 1 0 M W e 5 0 M W e m i n. m a x. m i n. m a x Különböző típusú SMR-ek által termelt áram becsült összköltsége (cent/kwh). Összehasonlításképp: Alaszkában és Hawaii-on az áramtermelés költsége jelenleg cent/kwh. 46

47 Integrált reaktor koncepciója #01 / 47

48 Egzotikus reaktorok - SMR Az IRIS-projekt USA-fejlesztésű, 50 MWe teljesítményű integrált PWR a teljes primer kör (a gőzfejlesztőkkel együtt) a reaktortartályon belül helyezkedik el 5% dúsítású UO2 üzemanyag átrakás 5-9 évente 48

49 NuScale PM ~50 MWe PWR Felszín alatt, víztartályban elhelyezve 12 reaktor lehet egy telephelyen Passzív rendszerek 2017 január: típusengedélykérelem az USA-ban (az első SMR!) 49

50 Egzotikus reaktorok - kis teljesítményű, moduláris reaktorok (SMR) Az ENHS-projekt Encapsulated Nuclear Heat Source USA-fejlesztésű, 50 MWe teljesítményű reaktor folyékony Pb-, vagy Pb-Bi hűtéssel 13% dúsítás (U-Zr, vagy U-Pu-Zr ötvözet) üzemanyag-átrakás 15 évente hűtőközeg be/kilépő hőmérséklete: 400/550 o C a primer körben nincs szivattyú ill. szelep szilárd hűtőközeggel szállítanák, a helyszínen olvasztanák fel az üzemelés után addig tárolnák a telephelyen, amíg a hűtőközeg újra meg nem szilárdul, ami egyúttal a kiégett fűtőelemek szállításánál konténerként szolgálna 50

51 Egzotikus reaktorok - kis teljesítményű, moduláris reaktorok (SMR) 51

52 GYORS TENYÉSZTŐ REAKTOROK 52

53 Gyors tenyésztő reaktorok (FBR) 53

54 Gyors tenyésztő reaktorok (FBR) Termikus teljesítmény 3000 MW Nettó elektromos teljesítmény 1180 MW Nettó hatásfok 39 % Fűtőelemek száma 271 Fűtőelempálcák száma fűtőelemenként 364 A fűtőelem burkolatának anyaga rozsdamentes acél Max. üzemanyag hőmérséklet 620 o C A Na teljes mennyisége a primer körben 3,314 t A névleges Na tömegáram 4*4,10 t/s A zónába belépő Na hőmérséklete 395 o C A zónából kilépő Na hőmérséklete 545 o C A Na teljes mennyisége a szekunder körben t A Na névleges tömegárama a szekunder körben 4*3,27 t/s A gőzfejlesztőbe belépő Na hőmérséklete 525 o C A gőzfejlesztőből kilépő Na hőmérséklete 345 o C A víz hőmérséklete a gőzfejlesztőbe lépéskor 237 o C A víz nyomása a gőzfejlesztőbe lépéskor 218 bar A gőz hőmérséklete a turbinába lépéskor 487 o C A gőz nyomása a turbinába lépéskor 177 bar Névleges gőz tömegáram 4*340 kg/s A Na olvadáspontja (10 bar) 98 o C A Na forráspontja (10 bar) 883 o C Gyors tenyésztő reaktor és nyomottvizes reaktor zónájának összehasonlítása 54

55 Gyors tenyésztő reaktorok (FBR) Folyékony fém hűtésű gyors tenyésztő reaktorok: Phenix (Franciao.), Monju (Japán), Aktau (Kazahsztán), Belojarszk-3 (Oroszország) Phenix (Franciaország) Superphenix (Franciaország) 55