Atomenergetikai alapismeretek

Átírás

1 Atomenergetikai alapismeretek 5/2. előadás: Atomreaktorok Prof. Dr. Aszódi Attila Egyetemi tanár, BME Nukleáris Technikai Intézet Budapest, március 5. Hasadás, láncreakció U-235: termikus neutronok hatására a mag hasadása következhet be Átlagosan hasadásonként 2,4 új gyors neutron keletkezik A neutronokat rugalmas ütközésekkel le lehet lassítani, így kis dúsítás mellett is nagyobb arányban képesek további hasadásokat kiváltani Láncreakció Hasadások sorozata önfenntartóvá válik Sokszorozási tényező: k eff =újabb hasadások száma/elhasadt magok száma Kritikus (k eff =1), szubkritikus (k eff <1), szuperkritikus láncreakció (k eff >1) Forrás: npp.hu, NRC 2

2 Emlékezzenek a reaktorfizikából tanultakra! Prof. Dr. Aszódi Attila 3 Forrás: Dr. Szieberth Máté előadása Emlékezzenek a reaktorfizikából tanultakra! Prof. Dr. Aszódi Attila 4 Forrás: Dr. Szieberth Máté előadása

3 Hasadás, láncreakció Neutronok lehetséges sorsa Rugalmas ütközés (lassulás) Abszorpció (elnyelődés) Kiszökés Új hasadás kiváltása Termikus atomreaktor fő összetevői Üzemanyag (hasadóanyag): általában U vagy Pu (vagy MOX) A természetes urán főbb izotópjai: 99.3 %-a 238-as, 0.7 %-a 235-ös izotóp Dúsítás szükséges (3-5% U-235 arány) Moderátor jó lassítóképességű és kis befogási hatáskeresztmetszetű anyag (H 2 O, D 2 O, C) Reflektor (anyaga sokszor, de nem mindig azonos a moderátoréval) Mérőrendszerek Reaktivitás-szabályozás neutronelnyelő anyag (B, Cd) Hűtés (H 2 O, D 2 O, CO 2, He) Sugárvédelem (beton, víz, bórsav, stb.) reflektor Forrás: Paksi Atomerőmű, NRC 5 Indítsunk reaktort! szabályozó és BV rudak fűtőelemek Neutronfluxus és teljesítmény reaktor_indit_1.avi Kerntechnische Gesellschaft H.-M. Prasser, 2003 (NuclearReactor_1_2.exe -- reaktor_indit_2.avi Prof. Dr. Aszódi Attila 6

4 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 Forrás: Scientific American 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 Forrás: extremetech.com 7 A legelső atomreaktorok A hasadások akkor kezdődhettek, amikor a homokkőben az urán koncentrációja elérte a 10%-ot, kb. 3%-os U-235 izotóparány mellett Moderátor: talajvíz, ami beszivárgott a porózus, urántartalmú kőzetbe homogén reaktor A reaktorok több százezer évig működhettek, feltehetően periodikusan (moderátor elforrása miatt), néhány órás periódusokban, megszaladás nélkül automatikus szabályozását a moderátor elforrása valósította meg A reaktorok az U-235 szegényedése miatt álltak le végleg A 17 reaktor közül 16-ot kitermeltek - Oklo 8

5 Kvázi zéró (2 W) névleges teljesítményű oktatóreaktor, Drezda, Németország Előnyök: elhanyagolható hőteljesítmény, elhanyagolható kiégés, elhanyagolható hőmérsékleti- és teljesítmény-effektus Hátrányok: elhanyagolható hőteljesítmény, kis neutronfluxus, korlátozott felhasználhatóság 9 Forrás: AA saját fotó Prof. Dr. Aszódi Attila Forrás: AA saját fotó

6 Hengeres aktív zóna, 250 mm átmérő, kritikus magasság 275 mm, különböző vastagságú kör alapterületű lemezekből összeállítva. Üzemanyag-lemezek <20% dúsítású UO 2 és polyethylen moderátor homogén keverékéből. Az aktív zónában összesen 794 g U-235. Maximális állandósult teljesítmény 2 Watt. Reaktor szabályozása három kombinált szabályozóés biztonságvédelmi (SZBV) rúd segítségével (anyaguk kadmium). Reaktorindítás Am-Be-neutronforrás (2, s -1 ) segítségével. Zóna körül grafit reflektor. A két zónafél egy-egy alumínium tartályban található. A teljes zóna egy további tartályban, amelyben depressziót tartanak az ellenőrizetlen kibocsátás elkerülése érdekében. Zóna körül 75 cm vastagságú nehézbeton árnyékolás. Zóna két félből, indításkor az alsó zónafelet megemelik. SZBV működéskor az SZBV rudak és az alsó zónafél is gravitációsan leesnek. Forrás: 11 Forrás: 12 Forrás: AA saját fotó

7 13 Forrás: AA saját fotó Moderációs jellemzők Moderátor jellemző 1 H H 2 O D D 2 O Be C 238 U α 0-0,111-0,640 0,716 0,983 µ 0 0,667-0,333-0,074 0,055 0,003 ξ ,725 0,725 0,209 0,158 0,00838 Ütközések száma 18,2 18, , M I =ξ 0 Σ es 0,002 3,27 0, ,256 0,18 0,06 0,042 1/M I 500 0, ,91 5,53 16,7 - γ ,16 Forrás: Dr. Csom Gyula: Atomerőművek üzemtana 1. kötet 14 Felhasznált forrás: Babcsány Boglárka korábbi előadásai

8 Heterogén atomreaktorok felépítése üzemanyag (U, UO 2, MOX, UC) moderátor (H 2 O, D 2 O, grafit) termikus reaktorban, feladata a neutronok lassítása hűtőközeg (H 2 O, D 2 O, CO 2, He, folyékony fém) reflektor reaktivitást kompenzáló, illetve szabályozó elemek in-core mérő- és ellenőrző rendszerek egyéb szerkezeti elemek, tartólemezek, rácsok 15 Felhasznált forrás: Babcsány Boglárka, Aszódi Attila korábbi előadásai Heterogén atomreaktorok felépítése Nyugati PWR üzemanyag távtartók pasztilla burkolat üzemanyag vezetőcső mérőcső 16 Felhasznált forrás: Babcsány Boglárka korábbi előadásai

9 Heterogén atomreaktorok felépítése VVER üzemanyag 17 Felhasznált forrás: Babcsány Boglárka korábbi előadásai