Az atomreaktor. 4. fejezet. 4. előadás

Átírás

1 Tematika 1. Az atommagfizika elemei 2. Magsugárzások detektálása és detektorai 3. A nukleáris fizika története, a nukleáris energetika születése 4. Az atomreaktor 5. Reaktortípusok a felhasználás módja szerinti csoportosításban 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

2 Az atomreaktor 4. fejezet

3 Tartalom A maghasadás A láncreakció A neutronok lassítása A reaktorok szabályozása Egy atomreaktor működési elve

4 A maghasadás

5 E

6 Értelmezés (bomlás): o A maghasadás Egy magreakciót bomlásnak nevezünk, ha egy nagyobb tömegű atommag önmagától, avagy spontán módon két kisebb tömegű atommagra szakad vagy esik szét. Értelmezés (maghasadás, vagy indukált hasadás): o Egy magreakciót maghasadásnak nevezünk, ha egy nagyobb tömegű atommag külső neutronnal való kölcsönhatás eredményeként két kisebb tömegű magra esik szét és a két kisebb tömegű keletkezett mag tömegei összemérhetők. BOMLÁS MAGHASADÁS!!! Mi történhet a neutronokkal?? neutron alapmag fragmentek keletkezett neutronok

7 A maghasadás mechanizmusa 235 U n 236 U 236 U 92 X 141 Y Kr n n Ba Neutron befogás Instabil mag Kritikus deformáció Neutron befogás: U-ban a befogott neutron kötési energiája ( 236 U lesz belőle) ~ 6.4 MeV. - a 235 U-t majdnem bármilyen energiájú neutron elhasítja, de a kisenergiájúaknak van erre nagy esélyük. Fragmentek (keletkezett magok) Gyors neutronok keletkeznek U által befogott urán kötési energiája ~ 5 MeV - a 238 U-t csak azok a neutronok hasítják, amelyek kinetikus energiája nagyobb 1 MeV nál. (gyors hasítás)

8 A maghasadáskor felszabaduló energia A maghasadáskor energia szabadul fel! A hasadás pillanatában felszabaduló energia: Q = m 235U + m n + m X + m Y c 2 Q teljes 210 MeV (1 ev = 1, J)

9 A láncreakció

10 Feltétel A hasadás során neutronok lépnek ki a magból, amely neutronok egy része további hasadást indukálhat az őt körülvevő hasadóanyagban. Ha egy vagy egynél több neutron kelt újra hasadást, akkor a hasadás önfenntartó lesz és láncreakció következik be. Ha átlagosan egy neutron kelt újabb hasadást, akkor a felszabaduló energia állandó. Ez a helyzet a reaktorban. Ha egynél több neutron kelt újabb hasadást, akkor a felszabaduló energia exponenciálisan növekszik. Ez a helyzet az atomreaktorban az indítás után a megadott teljesítmény eléréséig. Továbbá, ez a helyzet ellenőrizhetetlenül az atombombában.

11 Nukeáris reaktor Értelmezés (nukleáris reaktor): Nukleáris reaktornak (vagy kevésbe pontosan atomreaktornak) nevezzük azokat a berendezéseket, amelyekben neutron által kiváltott maghasadások mennek végbe, és ennek során energia szabadul fel. A reaktorfizika kulcsa a neutron. A terület fő problémája éppen a neutronok vándorlásának, diffúziójának és sokszorozódásának tárgyalása. Mennyi a valószínűsége annak, hogy egy maghasadás során kilépett neutron újabb maghasadást idéz elő?

12 Neutronok lassítása

13 Mi történhet a neutronokkal?? Lassú neutron: (termikus) 2200 m/s 1. lehetőség: szerencsétlen neutron : Elhagyja a reaktort vagy a környező grafit falról visszaverődik 2. Lehetőség: szabályozó rúdba ütközik és lelassul vagy befogódik moderátorban elnyelődik 3. Lehetőség: szerencsés neutron : lassul

14 A kilépő neutronokkal a következők történhetnek: 1. Kilépnek a rendszer felületén. 2. A hasadóanyaggal együtt jelen levő nem hasadó anyagokban fogódnak be. 3. Hasadóanyagban fogódnak be, de nem idéznek elő maghasadást. 4. Hasadóanyagban fogódnak be és hasadás következik be. A reaktor működését tekintve az egyetlen hasznos folyamat a 4. folyamat.

15 Neutronok Neutronok lehetnek: o Prompt neutronok: 99,3% s alatt születik o Késő neutronok: Hasadási termék mag által kibocsátott neutronok 1s 1 perc A késő neutronok teszik szabályozhatóvá a láncreakciót

16 Neutronok lassítása A meghasadásnál, nagy energiájú, gyors neutronok keletkeznek, azonban a keletkező elektronoknak sebesség-spektrumuk van. Azaz, vannak lassabb és gyorsabb elektronok. De nagyobb valószínűséggel keletkeznek nagyobb energiájú semleges részecskék. A meghasadásban a neutronbefogás bekövetkezésének valószínűsége nagyobb, ha a neutronok energiája kicsi, azaz a neutron lassú. Ezért a reaktorok működésénél alapvető fontosságú, hogy a hasadásnál keletkező nagy energiájú, gyors neutronokat lelassítsák. A gyors neutronok alacsony rendszámú atommagokból álló közegbe, a közegben elszenvedett sorozatos rugalmas ütközések miatt fokozatosan elveszítik energiájukat, lelassulnak. Értelmezés (moderátor): A nukleáris erőműben, a gyors neutronok lassítására szolgáló szóró anyagi közeget moderátornak nevezzük. Értelmezés (termikus neutronok): A neutron lassítása során a neutronok termikus egyensúlyba kerülnek a szóró közeggel. Az ilyen energiájú neutronokat termikus neutronoknak nevezzük. A sebességeloszlásban a termikus neutronok jellemző energiája kb. 0,025 ev. A moderátor jellemző mennyiségei: o Egy ütközésnél átlagban elveszített energia o Az ütközések azon átlagos száma, amíg a neutron a hasadási átlagenergiáról (kb. 2 MeV) lelassul a termikus energiára, azaz kb. 0,025 ev-ra. o Lassítási képesség; azaz a neutron lassulása közben összesen mennyi energiát veszített. o Moderálási arány; Jó moderátor anyagok pl: 1 H, 2 D, 9 Be, 12 C, H 2 O, bór (B)

17 Reaktorok szabályozása

18 Reaktorok szabályozása A láncreakció létrehozásához és fenntartásához a reakciókban résztvevő neutronok számát szabályozni kell. Tudjuk azt, hogy alaphelyzetben sok és nagy energiájú neutronjaink vannak, amelyek ebben az állapotukban nem alkalmasak a maghasadás elindításához. Lassú neutron kell. A neutronok lassításával szabályozható az egész folyamat. Ez úgy történik, hogy a rendszerben szabályozórudakat (pl. valamely bórvegyület) helyeznek el. A szabályzórúd anyaga jó neutron elnyelő, jó abszorber. Szabályozó rudak lehetnek: o Kézi o Automatikus o Biztonságvezérelt

19 Reaktorok szabályozása Ha a rudak a reaktorzónába vannak süllyesztve, akkor a neutronelnyelés maximális alig van szabad neutron a maghasadás hatáskeresztmetszete (bekövetkezési valüószínűsége) a hasadás bekövetkezéséhez szükséges érték alá csökken a maghasadás nem következik be. Ha a rudak egy adott helyzetében a reaktor kritikus, a rudakat kicsit kijjebb húzva pozitív reaktivitású állapot lép fel. Ekkor a neutronfluxus lassú exponenciális függvény szerint növekszik; a reaktor beindul. Amikor a reaktor a kívánt szintet eléri, ez a szint a rudaknak a reaktortérbe való visszahelyezésével, lesüllyesztésével tartható. Ha a reaktort le akarjuk állítani, akkor a szabályozó rudakat teljesen lesüllyesztjük a zónába!

20

21 Reaktorok szabályzása Forrás:

22 Reaktorok szabályzása Forrás:

23 Biztonság szavatolása 1. A reaktorok biztonságának szavatolása miatt a rudak leereszthetősége KULCSFONTOSSÁGÚ! Pl. a rudak beejthetők. Áramkimaradás esetén a szabályzórudak a nehézségi erő hatására beesnek a zónába, leállítva a magreakciót. (a nehézségi erő sohasem tűnik el biztonság szempontjából alapozhatunk rá!) Vannak még további biztonsági fékező rudak is a rendszerben. Ha valami oknál fogva az alaprudak nem esnének le a zónába, akkor a tartalék rudak beesnek. 2. A reaktorban a legnagyobb biztonságot az adja, hogy a reaktorban a hőmérséklet emelkedésével automatikusan lecsökken a hasadások száma. Így a láncreakció előbb utóbb befullad. 3. Sugárvédelem: o A hasadás során radioaktív sugárzás keletkezik, amit blokkolni kell! o El kell nyeletni, vagyis abszorbeálni kell a sugárzást. o Több méter vastag betonköpeny, ún. nehézbeton (gamma-sugárzás ellen is jó)

24 Egy atomreaktor elvi sémája 1. Reaktor blokk 2. Hűtőtorony 3. Reaktor 4. Kontroll rudak 5. Nyomás kiegyenlítés 6. Gőz generátor 7. Reaktor üzemanyag (hasadóanyag) 8. Turbina 9. Generátor 10. Transzformátor 11. Sűrítő 12. Gáz 13. Folyadék 14. Levegő 15. Nagy páratartalmú levegő 16. Folyó 17. Hűtővíz keringetés 18. Elsődleges kör 19. Másodlagos kör 20. Vízgőz 21. Pumpa, szivattyú