Atomenergetikai alapismeretek

Átírás

1 Atomeergetikai alapismeretek 6. előadás: Atomreaktorok, atomerőművek Prof. Dr. Aszódi Attila Egyetemi taár, BME Nukleáris Techikai Itézet Budapest, március az előző órai ayagból Prof. Dr. Aszódi Attila 2

2 Tartalom Atomreaktorok defiíciója Reaktorfizikai jellemzők Reaktortípusok Eergetikai reaktorok Atomerőművek hőkapcsolásai Atomerőművek fejlődése, atomerőmű geerációk Felhaszált irodalom: - Dr. Csom Gyula: Atomerőművek üzemtaa 1. kötet - Dr. Aszódi Attila, Babcsáy Boglárka és Boros Ildikó korábbi előadásai Prof. Dr. Aszódi Attila 3 Atomreaktorok defiíciója Atomreaktor az a műszaki létesítméy, melybe a maghasadáso alapuló, öfetartó, szabályozott formába lejátszódó lácreakció megvalósítható. a.) Atombombába lejátszódó lácreakció elve Sokszorozási téyező: > 1 szuperkritikus b.) Gyorsreaktorba lejátszódó lácreakció elve = = 1 kritikus < 1 szubkritikus eutrolassító ayag c.) Termikus reaktorba lejátszódó lácreakció elve Prof. Dr. Aszódi Attila 4 Forrás: Csom Gy: Atomerőművek üzemtaa fejezet

3 Lácreakció Lácreakció Reaktivitás: ρ=(k eff -1)/k eff Kritikus, szubkritikus, szuperkritikus lácreakció Promp szuperkritikusság (ρ>β) Későeutrook szerepe a szabályozhatóságba k eff Szubkritikus <1 <0 Kritikus =1 =0 Szuperkritikus >1 >0 Kritikus tömeg kritikus térfogat ρ Forrás: pp.hu Prof. Dr. Aszódi Attila 5 Emlékezzeek a reaktorfizikából taultakra! Prof. Dr. Aszódi Attila 6 Forrás: Dr. Szieberth Máté előadása

4 Maghasadás, hasadási eutrook ábra. Prompt eutrook eergiaspektruma izotópra Watt-spektrum legvalószíűbb eergia: 0,7 MeV átlageergia: 2 MeV Prof. Dr. Aszódi Attila 7 Forrás: Csom Gy: Atomerőművek üzemtaa 1.8. fejezet Moderátor jellemző 1 H H 2 O D D 2 O Be C 238 α 0-0,111-0,640 0,716 0,983 maximális eergiacsökkeés lassítási erélyesség 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 makroszkop. lassítóképesség lassítási jóság 1/M I 500 0, ,91 5,53 16,7 - γ ,16 Prof. Dr. Aszódi Attila 8 Forrás: Dr. Csom Gyula: Atomerőművek üzemtaa 1. kötet

5 v 2` maximális eergiacsökkeés = E = A 1 E A+1 ` v 1 A+1 ϑ A ` w 1 lassítási erélyesség (átlagos logaritmikus eergiacsökkeés) ` w2 A 10 =l E E ξ =f A =1+ () l =1+ lα 2 A+ 2 3 logaritmikus eergiacsökkeés E 0 -ról E eergiaszitre letargia =le le Prof. Dr. Aszódi Attila 9 Forrás: Csom Gy: Atomerőművek üzemtaa fejezet Moderátor jellemző 1 H H 2 O D D 2 O Be C 238 α 0-0,111-0,640 0,716 0,983 maximális eergiacsökkeés lassítási erélyesség 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 makroszkop. lassítóképesség lassítási jóság 1/M I 500 0, ,91 5,53 16,7 - γ ,16 Prof. Dr. Aszódi Attila 10 Forrás: Dr. Csom Gyula: Atomerőművek üzemtaa 1. kötet

6 rugalmas ütközések száma az E 0 -ról E eergiaszitre való lassuláshoz ü(e E)= 1 ξ l E E ` v 1 ` w2 A+1 ϑ v 2` A ` w 1 Pl.: 2 MeV0.025 ev : ü t = ', ) * makroszkopikus lassítóképesség (a logaritmikus eergiacsökkeés és a rugalmas ütközések valószíűségéek együttes figyelembe vétele): M, =ξ Σ. =ξ /0. = ξ ~V 7 /V ü9 Prof. Dr. Aszódi Attila 11 Forrás: Csom Gy: Atomerőművek üzemtaa fejezet Moderátor jellemző 1 H H 2 O D D 2 O Be C 238 α 0-0,111-0,640 0,716 0,983 maximális eergiacsökkeés lassítási erélyesség 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 makroszkop. lassítóképesség lassítási jóság 1/M I 500 0, ,91 5,53 16,7 - γ ,16 Prof. Dr. Aszódi Attila 12 Forrás: Dr. Csom Gyula: Atomerőművek üzemtaa 1. kötet

7 moderálási aráy = lassítási jóság (makroszkópikus lassítóképesség és a makroszkópikus abszorpciós hatáskeresztmetszet háyadosa) γ= ξ Σ ;< Σ 9 = M, Σ 9 Aál jobb egy moderátor, miél agyobb a makroszkópikus lassítóképessége, és közbe miél kisebb a makroszkópikus abszorpciós hatáskeresztmetszete! külöböző moderátorú reaktorok sorredje a moderátor/üzemayag térfogataráyáak övekedése szerit: H 2 O < D 2 O < Be < C külöböző moderátorú reaktorok sorredje az üzemayag dúsítási igéyéek övekedése szerit: D 2 O < C < H 2 O < Be Prof. Dr. Aszódi Attila 13 Forrás: Csom Gy: Atomerőművek üzemtaa fejezet Moderátor jellemző 1 H H 2 O D D 2 O Be C 238 α 0-0,111-0,640 0,716 0,983 maximális eergiacsökkeés lassítási erélyesség 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 - makroszkop. lassítóképesség γ ,16 lassítási jóság Prof. Dr. Aszódi Attila 14 Forrás: Dr. Csom Gyula: Atomerőművek üzemtaa 1. kötet

8 Moderátor ayagok fő jellemzői Moderátor paraméterek Moderációs úthossz [cm] Neutroabszorpciós hatáskeresztmetszet [bar] H 2 O D 2 O Grafit Prof. Dr. Aszódi Attila 15 A moderátorválasztás egyéb szempotjai A moderációs jellemzőkö túl egyéb szempotokat is figyelembe kell vei a moderátor ayagáak megválasztásakor: Gazdaságosság Redelkezésre állás Korróziós, eróziós jellemzők Szerkezeti ayagokkal való kompatibilitás Kémiai stabilitás Viselkedés magas hőmérséklete Kémiai kompatibilitás Hőfizikai jellemzők (hőtágulási téyező, hővezetési téyező, sűrűség, viszkozitás) Üzemzavar-tűrés Viselkedés besugárzás hatására, sugártűrés Felaktiválódás Kezelhetőség, metesség a mérgező hatásoktól Leszerelési kérdések Prof. Dr. Aszódi Attila 16

9 A reaktortípust meghatározó egyéb fő szempotok Reaktor célja, fő terméke Esetleges másodtermék(ek) Egységméret Villamoseergia-redszerbe való beilleszthetőség Nemzeti eergiapolitika Gazdaságosság Főberedezések gyárthatósága Nemzeti gyártókapacitás va-e, kell-e (szempot-e a emzeti szuvereitás) Reaktortartály kovácsolási kapacitás va-e Főberedezések szállíthatósága rákészletek (szempot-e a emzeti szuvereitás) rádúsítási kapacitásokhoz való hozzáférés (va-e hazai; ha ics, szempot-e a emzeti szuvereitás) Üzemayag átrakási stratégia (esetleg cél a hasadóayag-teyésztés) Egyéb ayagokhoz való hozzáférés Az üzemeltetés ayagai redelkezésre állak-e, igéyelek-e további ifrastruktúrát (pl. ehézvíz) Kiégett üzemayag kezelési stratégia Hosszú távú fetarthatósági szempotok Prof. Dr. Aszódi Attila 17 Hasadási eutrook Maghasadás, hasadási eutrook 1.2. táblázat. Késő eutrocsoportok jellemzői Csoport szám Késő eutrook lehetséges előfutára Közepes eergia E i, MeV Az előfutár magok átlagos felezési ideje T 1/2, s 239 Pu 233 A késő eutrook részaráya az összes hasadási eutroszámhoz viszoyítva, β i, % 239 Pu Br, 142 Cs 0,25 55,72 54,28 55,00 0,021 0,0072 0, I, Br 0,56 22,72 23,04 20,57 0,140 0,0626 0, I, Br 0,43 6,22 5,60 5,00 0,126 0,0444 0, I, 94 Kr, 143 Xe 0,62 2,30 2,13 2,13 0,252 0,0685 0, I, Cs 0,42 0,61 0,618 0,615 0,074 0,0180 0, ,23 0,257 0,277 0,027 0,0093 0,0087 β = 6 βi, % i= 1 0,64 0,21 0,26 A késő eutrook jeletősége: Lehetővé teszik a lácreakció szabályozását, a békés célú atomeergetikát. Figyelem! Külöböző hasadóképes magokál a késő eutro háyad értéke más! (Jeletősége va a fejlett üzemayagokál (pl. MOX), és a kiégési ciklus sorá.) Prof. Dr. Aszódi Attila 18 Forrás: Csom Gy: Atomerőművek üzemtaa 1.8. fejezet

10 Heterogé atomreaktorok felépítése üzemayag (, O 2, MOX, C) moderátor (H 2 O, D 2 O, grafit) termikus reaktorba, feladata a eutrook lassítása hűtőközeg (H 2 O, D 2 O, CO 2, He, folyékoy fém) reflektor reaktivitást kompezáló, illetve szabályozó elemek i-core mérő- és elleőrző redszerek egyéb szerkezeti elemek, tartólemezek, rácsok reflektor Az üzemayag Prof. Dr. Aszódi Attila 19 Heterogé atomreaktorok üzemayagáak felépítése Nyugati PWR üzemayag távtartók pasztilla burkolat üzemayag vezetőcső mérőcső Prof. Dr. Aszódi Attila 20

11 Heterogé atomreaktorok üzemayagáak felépítése VVER üzemayag Prof. Dr. Aszódi Attila 21 Heterogé atomreaktorok felépítése 22 Prof. Dr. Aszódi Attila Forrás: IAEA PRIS

12 VVER-440 reaktor - üzemayag Pálcatartó lemez Sziterelő kemece O 2 -pasztillákak Hűtőközeg áramlása Nyomórugó Gázrés Al2O3 elzárótabletta Al2O3 elzárótabletta Hűtőközeg H2O Távtartó rács O2 pasztilla O 2 - pasztillák (D = L = 10 mm) Üzemayagpálcák (L = 4,2 m, D = 12 mm, s = 1 mm) Zirkaloy burkolat +gázrés Védőhüvely Zárósapka Zárósapka Nyomórugó Prof. Dr. Aszódi Attila 23 Üzemayag és szabályozó rudak VVER üzemayag-kazetta Külső átmérőjük kb. 14 cm, hosszuk kb. 3 méter Szabályozó és biztoságvédelmi (BV) rudak Hat csoportba botva, 7 üzemi, 30 BV kazetta Bóracél abszorbes rész Prof. Dr. ASZÓDI Aszódi Attila 24

13 Primer kör VVER-440 Fő (primer) hűtőközeg H 2 O Primer hűtőközeg tömege 165 t Nyomás 123 bar Zóa belépési hőmérséklet 267 C Zóa kilépési hőmérséklet 297 C Főkerigtető szivattyúk száma 6 Teljes tömegáram t/h Prof. Dr. Aszódi Attila 25 Reaktortípusok A hasadóayag és a moderátor elredezése szerit: a) homogé reaktor: a hasadóayag és a moderátor homogé módo, egyeletese el vaak egymásba keverve; b) heterogé reaktor: a hasadóayag és a moderátor geometriailag elkülöül egymástól; A hasadást kiváltó eutrook eergiája szerit: a) termikus reaktor: a hasadások dötő részét a közeg atomjaival termikus egyesúlyba lévő termikus eutrook váltják ki; b) itermedier reaktorok: a hasadások dötő részét közepes eergiájú, azaz csak részbe lassított eutrook váltják ki; c) gyorsreaktorok: a hasadások dötő részét gyorseutrook váltják ki. A primerköri hűtőközeg yomásáak felvétele szempotjából: a) yomott tartályos reaktorok: az egész reaktor-beredezés, az összes fűtőelem-köteggel közös yomáso va egy agyyomásra tervezett tartályo (ú. reaktortartályo) belül, primerköri hűtőközeg yomását a reaktortartály fala veszi fel; b) yomott csöves reaktorok: a yomást a hűtőcsatorák fala veszi fel, melyek a fűtőelemkötegeket körülveszik. Prof. Dr. Aszódi Attila 26

14 Reaktortípusok A reaktor redeltetése szerit: a) szubkritikus redszerek b) kritikus redszerek c) kutatóreaktorok d) forrásreaktorok e) ayagvizsgáló reaktorok f) oktatóreaktorok g) eergetikai reaktorok MTA EK reaktor, Budapest Opal reactor, Ausztrália, Sydey, Lucas Heights Prof. Dr. Aszódi Attila 27 Ope Pool Australia Lightwater (OPAL) reactor 20 MW multi-purpose reactor 28 Prof. Dr. Aszódi Attila Forrás:

15 Reaktortípusok Eergetikai atomreaktor típusok apjaikba Ma legikább haszálatos csoportosítás: Üzemelő (db)/ Szumma 450 LWR Light Water Reactors PWR Pressurized Water Reactors 298 BWR Boilig Water Reactors 72 PHWR Pressurized Heavy Water Reactors 49 LWGR Light Water Graphite Reactors 14 FBR Fast Breeder Reactors 3 GCR Gas-Cooled Reactors 14 Üzemelő reaktorok típus szerit március Építés alatt lévő reaktorok típus szerit március Prof. Dr. Aszódi Attila Forrás: IAEA PRIS, lekérdezés: március 30