FENNTARTHATÓ FEJLİDÉS ÉS ATOMENERGIA

Átírás

1 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2 / 1 FENNTARTHATÓ FEJLİDÉS ÉS ATOMENERGIA 2. elıadás AZ ATOMREAKTOROK FIZIKAI ÉS TECHNIKAI ALAPJAI ATOMERİMŐVEK 2007/2008. tanév ıszi féléve Dr. Csom Gyula professor emeritus Tartalom 1. Magfiziai alapo 2. Reatortechniai alapo, reatortípuso 3. Atomerımőve 4. A VVER-440-es atomerımő (pasi atomerımő) 5. Egzotius reatoro---jégtörı 6. Atomenergia-rendszere 7. Fıbb ellenırzı érdése Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 2 1. MAGFIZIKAI ALAPOK Az energia és a tömeg evivalenciája (Eistein, 1905) 2 E 2 E = mc = c m m: tömeg, E: energia, c: váuumbeli fénysebesség Bohr-féle atommodell (1913) Atom: atommag+eletronhéj D mag V V M cm,d mag atom M ρmag 10 mag eletronhéj >> ρatom atom 8 10 cm Tömegeffetus M = Zmp + Nmn Kötési energia (Heisenberg, 1933) Fajlagos ötési energia e = 1. MAGFIZIKAI ALAPOK - 2 [ ] M = [ Zmp + ( A Z) mn ] M E = E A 2 Mc... MeV nuleon >> 1. ábra. A fajlagos ötési energia tömegszám(a) függvényében > 0 MeV nagyságrendő (eletronoé az atomban: ev nagys.r.) e,eletronhéj Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 3 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 4 1. MAGFIZIKAI ALAPOK MAGFIZIKAI ALAPOK - 4 MAGENERGIA-HASZNOSÍTÁS ELVI LEHETİSÉGEI Magfúzió D+D = 4 He reaciónál: e f 24 MeV/fúzió Maghasadás MeV E 236 0,9 200MeV / hasadás nuleon Eze: energetiai lehetısége Feltétele: a reació valóban le is játszódjana Magfúziónál: igen magas hımérsélet Maghasadásnál: Gerjesztés: neutronnal Spontán (nagy A-nál) STABIL IZOTÓPOK ATOMMAGJAINAK ÖSSZETÉTELE N-Z görbe Neutrontöbblet Neutronfelesleg Neutronhiány 2. ábra. A neutron- és a protonszám összefüggése a stabil izotópo magjában (N-Z-görbe) Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 5 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 6

2 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 7 1. MAGFIZIKAI ALAPOK - 5 RADIOAKTIVITÁS Oa: az atommag instabilitása (N-Z görbe) Fajtái: alfa-sugárzás béta-sugárzás gamma-sugárzás proton-sugárzás neutron- sugárzás (!) Felezési idı NEUTRON-MAGREAKCIÓK Abszorpció Hasadás: (n,f) Befogás: (n,γ) Szórás: (n,n) Rugalmas Rugalmatlan Töltött részecse reació: (n,p), (n,α) Magreació valószínősége 1. MAGFIZIKAI ALAPOK - 6 MAGHASADÁS (O. Hahn és F.Strassmann, dec.) Prompt neutrono (energia szerinti eloszlás) Késı neutrono (energia szerinti eloszlás) Hasadási termée (hasadványo) Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 8 1. MAGFIZIKAI ALAPOK MAGFIZIKAI ALAPOK - 8 Egyi lehetıség: A NUKLEÁRIS LÁNCREAKCIÓ (Szilárd Leó szabadalmi bejelentése, 1935.) Keletezési gyaoriság: y i Neutroncilus Cilusidı Soszorozási tényezı: Reativitás: Kritiusság: = 1, ρ = 0 Szuperritiusság: >1, ρ > 0 Szubritiusság: < 1, ρ < 0 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 9 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ MAGFIZIKAI ALAPOK - 9 MAGÁTALAKÍTÁS Izotóptermelés Új hasadóépes izotópo elıállítása 2. REAKTORTECHNIKAI ALAPOK, REAKTORTÍPUSOK Atomreatoro felépítése: Termius reatoro Gyorsreatoro Intermedier reatoro Soszorozási tényezı Végtelen reatorra: Véges reatorra: eff = P < Hosszú élető radioizotópo átalaítása (transzmutáció) Hasadási termée: pl. 99 Tc(2, év), 129 I(1, év) Atinidá: Domináns atinidá (Pu-izotópo) Másodlagos atinidá: pl. 237 Np(2, év), 241 Am(433 év), 245 Cm(9300 év) Reativitás: Promptritiusság Atív zóna Kritius tömeg Kritius térfogat eff 1 ρ = eff Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 11 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 12

3 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ REAKTORTECHNIKAI ALAPOK, REAKTORTÍPUSOK - 2 Atomreatoro csoportosítása Homogén reatoro Heterogén reatoro Csupasz reatoro Refletoros reatoro Üzemanyag: U-fém UO 2 MOX (UO 2 +PuO 2 ) UC Moderátor: H 2 O D 2 O Grafit 2. REAKTORTECHNIKAI ALAPOK, REAKTORTÍPUSOK - 3 CSOPORTOSÍTÁS A RENDELTETÉS ALAPJÁN Szubritius rendszere Kritius rendszere Kutatóreatoro Forrásreatoro Anyagvizsgáló reatoro Otatóreatoro Energetiai reatoro Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ REAKTORTECHNIKAI ALAPOK, REAKTORTÍPUSOK - 4 ENERGETIKAI REAKTOROK TÍPUSAI GGR (incl. Magnox reatoro) AGR HTGR THTR LWR: PWR BWR HWR: (incl. CANDU) RBMK FBR: LMFBR GCFR Sóolvadéos reatoro (homogén) Gyorsítóval hajtott szubritius rendszere 2. REAKTORTECHNIKAI ALAPOK, REAKTORTÍPUSOK - 5 NÉHÁNY TECHNIKAI ÉS ÜZEMI JELLEMZİ Üzemanyag-átalaulás üzem (iégési cilus) özben Kiégési szint: Q, MWnap/g ü.a. Elérhetı iégési szint: Q 0, MWnap/g ü.a. Üzemanyag-hasznosítási hatásfo (1-5%) Természetesurán-hasznosítás hatásfoa anyaghatásfo (0,5-1%) Méret (energetiai reatoro esetében: m 3 ) Teljesítménysőrőség (atív zóna térfogatára vonat-oztatva energetiai reatoro esetében: W/liter) Fajlagos beruházási öltség (atomerımőre: ~ euro/w el ) Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 15 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ ATOMERİMŐVEK 3. ATOMERİMŐVEK - 2 AZ ATOMERİMŐVEK ÉS A KONVENCIONÁLIS ERİMŐVEK FELÉPÍTÉSÉNEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA PWR - nyomottvizes reatoro (nyomott tartályos reator) Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 17 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 18

4 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ ATOMERİMŐVEK - 3 Mőszai és üzemi jellemzı Üzemanyag UO2 Nettó hatásfo b. 35,5 % Az U-235 dúsítása 1.9 % / 2.5% / 3.5 % A iégetés mértée MWd / t U Főtıeleme száma 193 Átlagos teljesítménysőrőség a reatorzónában 93,2 W / dm 3 A főtıelempálcá A hıátadó felület a száma főtıelemenént 236 reatorzónában m 2 Az üzemanyag tömege 103 t A ondenzátor hőtıfelülete 3* m 2 A főtıelempálcá A turbina hossza összesen: 4,83 m fordulatszáma / min atív rész: 3,90 m A főtıelempálcá Primer öri belépı átmérıje 10,75 mm hımérsélet o C A szabályozóruda Primer öri ilépı száma 61 hımérsélet o C Az abszorbens anyaga In-Ag-Cd Primer öri víznyomás 157 bar Hőtıözeg és Gızforgalom t/h moderátor desztillált víz Termius Gıznyomás 66 bar reatorteljesítmény 3765 MW Bruttó eletromos Gızhımérsélet 285 o C teljesítmény 1395 MW Nettó eletromos Tápvíz hımérsélet 218 o C teljesítmény MW 3. ATOMERİMŐVEK - 4 PWR - nyomottvizes reatoro Primer öri jellemzı (p, T) Szeunder öri jellemzı (p, telített gız) Üzemanyag dúsítása Erımő hatásfoa ( 32 34%) Biztonsága Gazdaságossága Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ ATOMERİMŐVEK ATOMERİMŐVEK - 6 BWR - forralóvizes reatoro (nyomott tartályos reator) Mőszai és üzemi jellemzı Üzemanyag UO2 Nettó eletromos teljesítmény MW Az U-235 dúsítása 3,49 és 3,31% Nettó hatásfo 34,1% Az üzemanyag tömege 151 t Átlagos teljesítménysőrőség a reatorzónában 49,6 MW / m 3 Főtıeleme száma 840 A iégetés mértée b MWd/t U A főtıelempálcá száma A hıátadó felület a m 2 főtıelemenént 72 reatorzónában Főtıelempálcá hossza 4,17 m A ondenzátor 3* m 2 hőtıfelülete Főtıelempálcá átmérıje 11 mm A turbina fordulatszáma / min Szabályozóruda száma 205 Gızhımérsélet 283 o C Az abszorbens anyaga Bórarbid és Gıznyomás 67 bar hafnium Hőtıözeg, moderátor és desztillált víz Gızforgalom 7200 t/h a turbina munaözege Termius teljesítmény MW Tápvíz belépı hımérsélet 215 o C Bruttó eletromos teljesítmény MW Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 21 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ ATOMERİMŐVEK ATOMERİMŐVEK - 8 HWR - nehézvizes reatoro (nyomott csöves reator) Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 23 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 24

5 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ ATOMERİMŐVEK ATOMERİMŐVEK - 10 HWR - nehézvizes reatoro Fı jellemzıi: (CANDU6) hőtıcsatorna hossza: 630 cm Csatornánént 14 főtıelemöteg Főtıelemöteg: L = 49 cm, D = 10 cm Primer öri nyomás: p i = 113,5 bar Szeunder öri nyomás: 47 bar Erımő hatásfoa: 30 31% Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 26 Nagy méret Nyomott csöves Grafit moderátor Elgızölgı H 2 O hőtıözeg Belsı biztonsága hiányos (Csernobil) 3. ATOMERİMŐVEK - 11 RBMK - grafit moderálású RBMK vízhőtéső grafit reatoro moderálású (nyomott csöves reator) vízhőtéső reatoro 3. ATOMERİMŐVEK - 12 Mőszai és üzemi jellemzı Termius teljesítmény 3200 MW Üzemanyagpálcá száma főtıelemenént 18 Eletromos teljesítmény 1000 MW Főtıeleme hossza b. 3,65 m Hatásfo 31 % Szabályozórúd vezetıcsöve száma 211 Hasadóanyag UO2 Pálca behatolási sebessége szabályozásor 20 cm/s Az urán össztömege b. 190 Pálca behatolási sebessége leállításor 40 cm/s t Az U-235 dúsítása 2 % Hőtıözeg H2O Moderátor grafit Hőtıözeg belépı hımérsélete 270 o C Moderátor össztömege b t Hőtıözeg ilépı hımérsélete 284 o C Nyomott csöve száma 1661 Hőtıözeg tömegárama t/h főtıelemenént Egy nyomott csı hossza 22 m Frissgız nyomás 70 bar Egy nyomott csı ülsı átmérıje 88 mm Frissgız tömegáram t/h Főtıeleme szám csövenént 2 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 27 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ ATOMERİMŐVEK ATOMERİMŐVEK - 14 Gyorsreatoros atomerımő (háromörös reator) Gyorsreatoros atomerımő Háromörös Bonyolult a technológia Hőtıözeg: Na Primer öri nyomás: alacsony Primer öri hımérsélet: magas Szeunder öri nyomás és hımérsélet: magas Erımő hatásfoa: magas Tenyésztési tényezı > 1 szaporító reator Beruházási öltség: legnagyobb az atomerımőve özött Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 29 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 30

6 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ ATOMERİMŐVEK A VVER-440-ES ATOMERİMŐ (PAKSI ATOMERİMŐ) A VILÁG ATOMERİMŐVEINEK TÍPUSONKÉNTI MEGOSZLÁSA Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ A VVER-440-ES ATOMERİMŐ (PAKSI ATOMERİMŐ) - 2 Fı jellemzıi: Háromszög rács Hatszöglető főtıelemöteg 349 főtıelemöteg Atív zóna: H=250 cm, D=286 cm Üzemanyag: is dúsítású UO 2 (3,6-3,9%) Szabályozó azettá 4. A VVER-440-ES ATOMERİMŐ (PAKSI ATOMERİMŐ) - 3 Reatortartály Magasság: 13,75 m Külsı átmérı (atív zóna magasságában): 3,84 m Anyaga: gyengén ötvözött acél (15H2MFA) mm vastag; belsı rozsdamentes acél bevonat (08H18N12B) mm vastag 6 be- és iömlés egymás fölött Teljes magasság felsı bloal együtt: 23,77 m. Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 33 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ A VVER-440-ES ATOMERİMŐ (PAKSI ATOMERİMŐ) EGZOTIKUS REAKTOROK - JÉGTÖRİK Az elsı atomjégtörı a szovjet Lenin ( ). Három, egyenént 90 MW termius teljesítményő PWR hajtotta, 5% dúsítású urán-oxid üzemanyaggal. Lenin (SZU) ( ) Artia (SZU) (1975- ) Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 35 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 36

7 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ EGZOTIKUS REAKTOROK JÉGTÖRİK - 2 Az elsı atom-tengeralattjáró a Nautilus ( , PWR). PWR és LMBR (!) reatoroal észülne Nautilus SSN-571, az elsı atom-tengeralattjáró 6. ATOMENERGIA-RENDSZEREK Minden energiatermelési módnál az egész vertiumot ell vizsgálni (gazdasági, örnyezeti szemponto) Az atomenergia-rendszer felépítése függ: Az atomerımőve típusától A nuleáris üzemanyagcilus ialaításától Nyitott üzemanyagcilus Zárt nem egyensúlyi üzemanyagcilus Zárt egyensúlyi üzemanyagcilus Szimbiotius atomerımő-rendszer üzemanyagcilusa A radioatív hulladéo ezelési módjától és végleges elhelyezésétıl Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ ATOMENERGIA-RENDSZEREK - 2 Csa termius reatoros atomerımőveet tartalmazó atomenergiarendszer nyitott üzemanyagcilussal 6. ATOMENERGIA-RENDSZEREK - 3 Csa termius reatoros atomerımőveet tartalmazó atomenergiarendszer zárt üzemanyagcilussal Bányászat Konverzió és izotópdúsítás Üzemanyaggyártás Termius atomerımő Bányászat Konverzió és izotópdúsítás Üzemanyaggyártás Termius atomerımő U Pu Hulladéezelés, végleges elhelyezés Üzemanyag tárolás Hulladéezelés, végleges elhelyezés Reprocesszálás (újrafeldolgozás) Üzemanyag tárolás Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 39 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ ATOMENERGIA-RENDSZEREK - 4 Bányászat Hulladéezelés, végleges elhelyezés Konverzió és izotópdúsítás U Transzmutáló reator Kétszeresen zárt (hulladérecirulációs) szimbiotius atomenergiarendszer Üzemanyaggyártás Pu Reprocesszálás (újrafeldolgozás) Termius atomerımő Gyors tenyésztıreator Üzemanyag tárolás Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 41 Fıbb ellenırzı érdése 1. Írja fel a tömeg és az energia evivalenciáját ifejezı összefüggést! 2. Meora az atommag és az atom átmérıjéne nagyságrendje? 3. Meora az atommag és az atom térfogatarányána nagyságrendje? 4. Meora az atommag és az eletronhéj tömegarányána nagyságrendje? 5. Mi az izotópo? 6. Milyen nuleonoból épül fel az atommag? 7. Mi a tömegszám? 8. Mi a tömegdefetus? Írja fel a meghatározását megadó összefüggést! 9. Mi a ötési energia? Írja fel apcsolatát a tömegdefetussal! 10. Mi a fajlagos ötési energia? Írja fel meghatározó összefüggését! 11. Meora az atommagra vonatozó fajlagos ötési energia nagyságrendje? 12. Meora az eletronhéjba ötött eletron fajlagos ötési energiájána nagyságrendje? 13. Rajzolja fel a fajlagos ötési energia tömegszám-függését? 14. A magenergia-hasznosítás elvi lehetıségei az e = f(a) diagram alapján. 15. Magfúziónént felszabaduló energia. 16. Maghasadásonént felszabaduló energia. 17. A magfúzió megvalósulásána feltétele! Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 42

8 Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ Rajzolja fel a stabil izotópo N-Z görbéjét! 19. Mi a neutrontöbblet? 20. Mi a neutronfelesleg? 21. Mi a neutronhiány? 22. Mi a radioativitás iváltó oa? 23. A radioativitás fajtái. 24. Mi a felezési idı? 25. Milyen neutron-magreacióat ismer? 26. Mi a prompt neutrono? 27. Mi a ésı neutrono? 28. Mi a hasadási termée (hasadványo)? 29. Mi a primer és a szeunder hasadványo? 30. Rajzolja fel a hasadványo eletezési gyaoriságát tömegszámu függvényében! 31. Rajzolja fel a nuleáris láncreació sémáját! 32. Mi a neutroncilus és a cilusidı? 33. Mi a soszorozási tényezı és a reativitás? 34. Mi a ritiusság, szuperritiusság, szubritiusság feltétele? 35. Írja fel az új hasadóépes izotópo elıállítási sémáját! 36. Mi a transzmutáció? 37. A reatoro fajtái a hasadást iváltó neutrono energiája alapján. 38. Mi az atív zóna? 39. Mi a ritius tömeg és a ritius térfogat? 40. Milyen üzemanyagfajtáat ismer? 41. Milyen moderátor anyagoat ismer? 42. Ismertesse az atomreatoroat rendeltetésü szerint. 43. Melye a legfontosabb energetiai atomreator-típuso? 44. Mi a iégési és az elérhetı iégési szint? 45. Milyen anyaghatásfo érhetı el termius reatoroban? 46. Nagyságrendileg meora teljesítménysőrőség érhetı el az atomreatoroban? 47. Nagyságrendileg milyen határo özött mozog a termius reatoro térfogata. 48. Rajzolja fel egy nyomottvizes reatoros atomerımő egyszerősített apcsolási sémáját. 49. Mi a főtıelem és a főtıelemöteg? 50. Rajzolja fel egy elgızölögtetı reatoros atomerımő egyszerősített apcsolási sémáját! Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ Hasonlítsa össze a PWR-t és a BWR-t néhány fontos jellemzıjü alapján. 52. Mi a CANDU reator? 53. Mi az RBMK típusú reator? 54. Ismertesse a gyorsreatoros atomerımő egyszerősített apcsolási sémáját! 55. Hozzávetılegesen milyen részarányt épviselne a PWR-es, a BWR-es és a gyorsreatoros atomerımőve a világ atomerımő-apacitásában? 56. Milyen reatortípussal épült a pasi atomerımő? 57. Milyen egzotius atomreatoroat ismer? 58. Ismertesse a nyitott üzemanyagcilusú atomenergia-rendszer felépítését! 59. Ismertesse a zárt üzemanyagcilusú atomenergia-rendszer felépítését! 60. Ismertesse a étszeresen zárt (hulladérecirulációs) szimbiotius atomenergiarendszer felépítését. Dr. Csom Gyula, BME NTI 2/ 45