Quo vadis nukleáris energetika

Átírás

1 Quo vadis nukleáris energetika Berta Miklós Fizika és Kémia Tanszék Széchenyi István Egyetem Győr

2 Az előadás vázlata Energiaéhség Energiaforrások Maghasadás és magfúzió Nukleáris energetika Atomerőmű működése Fúziós erőmű elvi működése Radioaktivitás Nukleáris biztonság és tervezés Atomerőművek alkalmazásának haszna Atomerőművek alkalmazásának kockázatai INES skála Nukleáris balesetek (Three Mile Island, Csernobil, Fukushima) Mit tanulhatunk a balesetekből? Merre tovább? videokonferencia előadás a SZE - ről 2

3 Energiaéhség Népességrobbanás videokonferencia előadás a SZE - ről 3

4 A világ energiaigényének alakulása videokonferencia előadás a SZE - ről 4

5 A légkör CO 2 koncentrációjának változása videokonferencia előadás a SZE - ről 5

6 Energiaforrások fosszilis energiaforrások (szén, olaj, földgáz) kimerülőben vízenergia korlátos mennyiség adott területen nukleáris energia fissziós (jelenlegi technológia alkalmazása mellett kb. 100 évig áll rendelkezésre,) fúzió (ma még nem látjuk a rendelkezésre állás időkorlátját ) alternatív energiaforrások (napenergia, szélenergia, geotermikus energia, árapály energiája stb.) korlátlan ideig rendelkezésre áll, de korlátos mennyiségben Megnyugtató megoldás lehet nukleáris + alternatív együtt videokonferencia előadás a SZE - ről 6

7 Maghasadás és magfúzió videokonferencia előadás a SZE - ről 7

8 Atomerőmű működése videokonferencia előadás a SZE - ről 8

9 Fúziós erőmű elvi működése videokonferencia előadás a SZE - ről 9

10 Radioaktivitás természetes ( mesterséges (,,,, ) sugárzások ) + neutron sugárzások Bomlási törvény N( t) N0 2 t t 1/ 2 A felezési időt nem tudjuk külső tényezőkkel befolyásolni. videokonferencia előadás a SZE - ről 10

11 Mérlegelés, és társadalmi kockázatvállalás Nukleáris biztonság és tervezés Haszon Kockázat Pl.: Tegyük fel, hogy a súlyos atomerőművi baleset kockázata 0,001 /év. Ez azt jelenti, hogy egy adott erőműben 1000 évenként bekövetkezik egy ilyen baleset. Elfogadható? Igen?! De! 400 erőművi blokk van a világon. 2,5 évente egy súlyos baleset valahol a világban. Elfogadható? Nem!! Ezért a mai atomerőművi blokkokban a súlyos baleset kockázata 10-5 év. Elfogadtuk! Autóvezetés kockázata: ~ 200 halál/ emberre/év= /év videokonferencia előadás a SZE - ről 11

12 Atomerőművek alkalmazásának haszna nagy energiasűrűség (kb. 100 milliószor nagyobb mint a fosszilis energia esetében), ezért kisebb tömegű hulladék azonos energiafelhasz-nálás mellett nincs CO 2 kibocsátás (egy paksi blokk ~ 1-4 ppm-nyi CO 2 kibocsátás-tól ment meg bennünket évente) hosszú távú (~ év) készletek hasadóanyagból a jelenlegi technológia mellett is videokonferencia előadás a SZE - ről 12

13 Atomerőművek alkalmazásának kockázatai radioaktív anyagok környezetbe történő nagymértékű kibocsátásának potenciális veszélye súlyos baleset következtében hosszú felezési idejű hasadási termékek a hulladékban. (sokáig kell ellenőrzött körülmények között tárolni) FIGYELEM!! Egy atomreaktor nem robbanhat fel nukleáris bombaként! Nincsenek ehhez meg a fizikai előfeltételek. videokonferencia előadás a SZE - ről 13

14 INES skála videokonferencia előadás a SZE - ről 14

15 Nukleáris balesetek Three Mile Island (1979) videokonferencia előadás a SZE - ről 15

16 Karbantartási munkálatok során egy, a tervdokumentáción fel nem tüntetett csőbe víz került, amely a pneumatikus rendszerhez kapcsolódott és elzárta a gőzfejlesztő tápvízrendszerének egy szelepét. Az esemény perceken belül kiváltotta a turbina kiesését és az üzemzavari tápvízszivattyúk beindulását. Az üzemzavari tápvízszivattyúk nem szállítottak elegendő vizet, mert két nappal korábban zárva felejtették az üzemzavari tápvízrendszer szelepeit. Működésbe lépett a vészleállító rendszer, a zónába kerültek a szabályozó és biztonságvédelmi rudak. A reaktor leállt, de a radioaktív hasadási termékek maradványhője még ekkor is jelentős. Tehát a zóna hűtéséről a továbbiakban is gondoskodni kell. Az elégtelen hőelvezetés miatt nőtt a nyomás a primer körben, aminek következtében kinyílt a nyomáskiegyenlítő tartály lefúvató szelepe. A nyomás csökkenésekor a térfogatkompenzátor lefúvató szelepének vissza kellett volna zárnia. Ez azonban nem következett be, mert a szelepen kivált bórsav ezt megakadályozta. Ez még önmagában nem lett volna probléma, mivel a szelep kézzel is zárható. De a blokkvezénylőben a kijelző nem a szelep fizikai állapotát mutatta, hanem azt, hogy a szelepet nyitó szerkezet kap-e feszültséget vagy sem. Vagyis a kijelző azt mutatta, hogy a szelep nyitására vagy zárására kapott-e utasítást a rendszer. videokonferencia előadás a SZE - ről 16

17 Az operátorok, akik nem ismerték fel a csökkenő nyomás okát - hogy nem zárt vissza a lefúvató szelep és így nyitott a primer kör - leállítják az időközben - szintén automatikusan és helyesen - beindult nagynyomású üzemzavari zónahűtő rendszert. A hűtőrendszer feladata, hogy ilyen szituációkban is ellássa megfelelő mennyiségű hűtőközeggel a zónát. A reaktortartályban tovább csökkent a nyomás, elkezdett elforrni a hűtőközeg, míg körülbelül a baleset első eseménye után két órával a zóna felső része víz nélkül maradt. A fűtőelemek burkolatának hőmérséklete elérte a 1100 C-t, a burkolatok felnyíltak és elkezdődött a víz-cirkónium reakció: Zr + 2 H 2 O = ZrO H 2. A felszabaduló hidrogén egy része kijutott a konténmentbe,és később egy kisebb robbanás is bekövetkezett. A robbanás a vezénylőben is hallható volt, az operátorok mégsem szereztek róla tudomást. A zónában elhelyezett hőmérők jelét feldolgozó számítógépi program nem vette figyelembe a zóna kiszáradásának lehetőségét, a gép ezért a valós magas hőmérsékletadatok helyett ekkor csupán kérdőjeleket nyomtatott. A személyzet ezért nem szerzett tudomást a zónában lejátszódó eseményekről. Végül egy szakértő - mintegy két és fél órával az üzemzavar kezdete után - feltette a döntő kérdést: lezárták-e kézzel a nyomásszabályozó szelepet? A válasz: "Igen, ebben a pillanatban." videokonferencia előadás a SZE - ről 17

18 Ettől kezdve a reaktor állapota nem volt veszélyes, de még több, mint tíz órába telt, mire az egyik főkeringtető szivattyút beindíthatták és a reaktor állapota stabilizálódott. Nem volt halálos áldozat 5 ös esemény az INES skálán 10 mérföldes körzetben egyénenként max. a természetes háttérsugárzás harmadát szenvedhették el. Ezen a zónán kívül nem volt kimutatható egészségügyi hatás. Lényegében a reaktorból kikerült jelentős mennyiségű radioaktivitás a konténmenten belül maradt, csak elenyésző része került ki a környezetbe. A sérült 2. blokk áll, de az 1. blokk üzemidejét nem régen hosszabbí-tották 2034-ig. videokonferencia előadás a SZE - ről 18

19 Nukleáris balesetek Csernobil (1986) videokonferencia előadás a SZE - ről 19

20 A reaktor konstrukciójából adódóan a névleges teljesítmény 20%-a alatt pozitív visszacsatolású, öngerjesztő,instabil rendszer! Egy üzemi kísérletet terveztek, amihez le kellett állítani (TILOS) az üzemzavari hűtőrendszert. - szabályok súlyos megszegése A megkezdett kísérletet fel kellett függeszteni, mert kellett a termelt energia. A reaktor 50%-on tovább üzemel. Neutronmérgek halmozódnak a reaktorban a reaktor egyre szabályozhatatlanabb. 9 óra múlva folytatják a kísérletet. További teljesítménycsökkentés. (~ 24%) a reaktor közel öngerjesztő és csak kismértékben szabályozható. Le kellett volna állni!! Műszakváltás a kísérletre fel nem készített személyzet, aki nincs tisztában a reaktor állapotával. Véletlen esemény következtében a teljesítmény 1%-ra esik. Öngerjesztő folyamatok indulnak,és a reaktor csak kevéssé szabályozható. A reaktort megpróbálják leállítani, de a leállító rudak egy tervezési hiba miatt rövid időre növelik a teljesítményt, ami a pozitív visszacsatolás miatt a névleges teljesítménynél 100x nagyobb teljesítményt alakít ki. videokonferencia előadás a SZE - ről 20

21 Az összes hűtőközeg gőzzé válik. - gőzrobbanás a reaktor kinyílik A vízgőz és a cirkónium ezen a magas hőmérsékleten hidrogént termel, amely a levegő oxigénjével elkeveredve gázrobbanáshoz vezetett. Zr + 2 H 2 O = ZrO H 2. Grafittűz magasba emeli a kikerült radioaktív szennyeződést, így azok messzire juthatnak a szél irányában. (Nyugati irányú volt!) 7 es esemény az INES skálán 60 halálos áldozat a baleset következtében, vagy közvetlenül utána. Várható maximum 4000 áldozat a baleset következtében. videokonferencia előadás a SZE - ről 21

22 Nukleáris balesetek Fukushima (2011) Elsődleges kiváltó okok 9 es erősségű földrengés m magas cunami videokonferencia előadás a SZE - ről 22

23 A földrengéskor 3 blokk üzemel a 6-ból. De az álló reaktorokból is el kell vezetni a maradványhőt! A földrengés kiváltja a reaktorok biztonsági rendszerében a reaktorok biztonságos leállítását. - a reaktorok tervezett módon viselkednek, pedig csak 6,5 ös erősségű földrengésre vannak tervezve A földrengés következtében ledőlnek a villamos hálózat oszlopai nincs villamos energia a hálózatról az erőművekben. Indulnak a maradványhőt elhűtő diesel generátorról működtetett szivattyúk. Tervezett súlyos baleseti scenario! Számoltak a cunami veszéllyel, ezért a reaktorok az óceánszint felett 10 m-re vannak építve. De 15 m magas nagy impulzusú vízoszlop érte el Fukusimát. Leállnak a maradványhőt elvezető szivattyúk. (Az 5. és 6. blokkon nem.) 1 3 blokkokon az aktív zóna hűtés nélkül marad. Az üzemanyag cirkónium burkolata a vízgőzzel ezen a magas hőmérsékleten reakcióba lép. Nagy mennyiségű hidrogén termelődik. Zr + 2 H 2 O = ZrO H 2. A hidrogén kijut a konténmentből gázrobbanás és a reaktorépületek megsérülnek, de a konténmentek nem. videokonferencia előadás a SZE - ről 23

24 különböző mértékű zónaolvadás az 1 3 blokkokon 4. blokk állt a földrengéskor. A teljes aktív zóna kiemelve a reaktorból és hűtve a pihentető medencében. A cunami következtében megszűnik a hűtés a pihentető medencében. Innentől a dolgok lefolyása hasonlít az 1 3 blokkokban lejátszódott folyamatokhoz. 7 es esemény az INES skálán?! Halálos áldozata az eddigi eseményeknek nincs. A radioaktív kibocsátás sokkal kisebb mértékű mint Csernobilban volt. Fukusima = Csernobil???? Neeeem!!!!! videokonferencia előadás a SZE - ről 24

25 Mit tanulhatunk a balesetekből? Igen magas szinten képzett üzemeltető személyzetre van szükség. Nem elég az ezt tedd, ha ezt látod típusú képzés, hanem értenie kell a személyzetnek a reaktorokban lezajló bonyolult fizikai folyamato-kat!! Nem szabad engedélyezni olyan folyamatokat egy atomerőműben, amelyek az üzemeltetési előírások megszegésével járnak. Nem szabad engedélyt adni olyan reaktorra, amelyikben pozitív teljesítmény - visszacsatolás alakulhat ki! Szabad-e földrengésveszélyes területen atomreaktort működtetni? Ha ez elkerülhető, akkor kerüljük el, de erre nem mindig van mód! Ahol szökőár alakulhat ki, ott az erőműveket ne az óceánpartra telepítsük, még ha a hűtés megoldása drágábbá is teszi az üzemeltetést! Dolgozzunk ki olyan biztonsági eljárásokat, amelyek működését természeti törvények garantálják! Inherens biztonság fontossága. videokonferencia előadás a SZE - ről 25

26 Merre tovább? üzemidő hosszabbítás tervei a legtöbb reaktor esetében az előzetes üzemidő becslések túl konzervatívak voltak. 3. generációs (evolúciós) reaktorok kereskedelmi kínálatban (súlyos baleset kockázata 10-6 /év) 4. generációs reaktorok a tervezőasztalokon új technológiák munkába állítása a hasadóanyagok jobb kihasználása érdekében radioaktív hulladék kezelési technológiáinak fejlesztése a radioaktív hulladék tárolási biztonságának folyamatos fejlesztése videokonferencia előadás a SZE - ről 26

27 fúziós energetika minél hamarabbi szolgálatba állítása szakemberképzés színvonalának folyamatos emelése természettudományos és műszaki műveltség színvonalának emelése a nem szakemberek körében is (ismeretterjesztés) Könnyű az atomenergetikát bírálni, de nehéz nélküle a mai, vagy a mainál magasabb életszínvonalon élni! Köszönöm megtisztelő figyelmüket! videokonferencia előadás a SZE - ről 27