Az atommagtól a konnektorig

Átírás

1 Az atommagtól a konnektorig (Az atomenergetika alapjai) Dr. Aszódi Attila, Boros Ildikó BME Nukleáris Technikai Intézet Pázmándi Tamás KFKI Atomenergia Kutatóintézet Szervező: 1

2 Az atom felépítése kb m átmérőjű atommag: protonok + neutronok kb m átmérőjű elektronfelhő 2

3 Az atom felépítése Rendszám: a protonok száma Tömegszám: protonok + neutronok száma kémiai tulajdonságok rendszámmal együtt a magfizikai viselkedés Izotóp: azonos protonszám, 11 H: hidrogén (1 proton, 0 neutron) de eltérő tömegszám 21 H: deutérium (1 proton, 1 neutron) 3

4 Radioaktivitás A ma ismert 112 elemnek több, mint 2500 izotópja létezik. Ezek közül 249 stabil, az összes többi magától elbomlik, azaz radioaktív. A radioaktív bomlás során minden esetben egy vagy több részecskét sugároz ki a mag. A leggyakoribb radioaktív sugárzások: az α-, β- és γ-sugárzás. 4

5 Az alfa-sugárzás Az atommagot alfa-részecskék (két protonból és két neutronból álló héliummagok) hagyják el. Az atom rendszáma tehát a bomlás során kettővel, tömegszáma néggyel csökken. Az alfa-sugárzás igen rövid hatótávolságú, akár egy vékony papírlap is könnyen elnyeli. 5

6 Béta-sugárzás Negatív béta-bomlás egy neutron protonná alakul a magban egy elektron kilép a magból a rendszám eggyel nő, a tömegszám változatlan Pozitív béta-bomlás egy neutron keletkezik egy protonból pozitron lép ki a magból a rendszám eggyel csökken, a tömegszám itt is változatlan 6

7 Gamma-sugárzás A látható fényhez hasonló, de annál nagyobb energiájú elektromágneses sugárzás. Ha az atom valamilyen bomlás után még gerjesztett állapotban marad, akkor ezt egy vagy több "adagban", gamma-sugárzás formájában adja le. Nem változik sem a rendszám, sem a tömegszám. A gamma-sugárzás áthatoló képessége igen nagy. 7

8 Neutron-sugárzás Neutronsugárzás: az atommagból egy neutron lökődik ki. Pl. a légkör felsőbb rétegeiben, ahol a kozmikus sugárzás részecskéi összeütköznek a levegő molekuláival. Az urán hasadása során több neutron is kiléphet egyszerre egy atommagból. A szabad neutron radioaktív: 10,8 perc felezési idővel szétesik egy protonná, egy elektronná és egy antineutrínóvá. 8

9 Radioaktivitás Felezési idő: az az idő, ami alatt egy radioaktív izotóp adott számú atomjainak fele elbomlik. Pl.: Legyen darab trícium atomunk, melynek felezési ideje 12,3 év. Ekkor - 12,3 év múlva db, - 24,6 év múlva db, - 36,9 év múlva db el nem bomlott trícium atomunk lesz. 9

10 Radioaktivitás Aktivitás: az 1 másodperc alatt bekövetkező bomlások száma egy adott mintában. Mértékegysége a Becquerel: 1 Bq=1 bomlás/másodperc. Pl.: Egy 75 kg-os ember K-40-ből származó aktivitása kb Bq, (vagyis másodpercenként kb darab kálium-40-es atommag bomlik el a szervezetében) 10

11 A maghasadás 1939-ben Hahn és Strassmann: neutronsugárzás hatására az uránatom magja két közepes atommagra esik szét, eközben újabb neutronok és energia keletkezik A természetes urán főbb izotópjai: 99.3 %-a 238-as, 0.7 %-a 235-ös izotóp Az U-238-as csak igen ritkán hasad, az U- 235-ös hasadása gyakorlati szempontból sokkal jelentősebb reaktorokhoz dúsítják. 11

12 A maghasadás 1 db U-235 elhasadásakor kb. 200 MeV =3.2*10-11 J energia szabadul fel. Magyarország éves elektromosenergia-fogyasztása 19 t tiszta U-235 elhasadásával fedezhető lenne Ugyanennyi energiát kapunk 47*10 6 t (tehát kb. 2,5 milliószor annyi) feketekőszén eltüzelésekor! 12

13 A láncreakció A hasadásból átlagosan 2,4 gyors neutron is kilép, ezeket az ún. moderátorral lelassítva újabb hasadásokat hozhatunk létre 13

14 A láncreakció Animáció 14

15 Az atomreaktor Az atomreaktorban nagy mennyiségű hasadóanyag felhasználásával szabályozott láncreakciót valósítunk meg. A gyors hasadási neutronok lelassításához kell a moderátor. A felszabaduló energiát a hűtőközeg segítségével vezetjük el a reaktorból. A neutronok számának (ezzel a teljesítmény) szabályozására szolgálnak a szabályozó rudak. 15

16 Az atomerőmű A hagyományos hőerőművek és az atomerőművek csak a hő felszabadulásában különböznek, az elektromosenergiát termelő egység felépítése hasonló Az atomerőmű a vízforralás legbonyolultabb módja 16

17 Az atomerőmű működése Animáció 17

18 Az atomerőművek fő típusai Nyomottvizes reaktorral szerelt (PWR) Forralóvizes reaktorral szerelt (BWR) Zárt primer kör, a nagy nyomású ( bar) hűtőközeg nem forr el, Gőzképződés a szekunder körben -> tiszta gőz Nincs külön primer és szekunder kör A kisebb nyomású hűtőközeg a reaktorban elforr Az áramtermeléshez használt gőz radioaktív lehet 18

19 Nyomottvizes reaktorral szerelt atomerőművek sz. rudak hajtása térfogatkompenzátor frissgőz turbina generátor szabályozórudak gőzfejlesztő tápvíz fűtőelemek előmelegítő kondenzátor reaktortartály fő keringető szivattyú betonvédelem tápvízszivattyú hűtővíz 19

20 Forralóvizes reaktorral szerelt atomerőművek reaktortartály fűtőelemek frissgőz tápvíz turbina generátor szabályozórudak sz. rudak hajtása betonvédelem fő keringető szivattyú előmelegítő tápvízszivattyú kondenzátor hűtővíz 20

21 Atomreaktorok Magyarországon Paks Nyomottvizes Energetikai 4*440 MWe KFKI Medence típusú Kutató 10 MWth BME Medence típusú Oktató / kutató 100 kwth 21

22 Indítsunk reaktort! 1. Csupasz reaktor, külső neutronforrás nélkül szabályozó és BV rudak fűtőelemek Indítás előtt: - A szabályozó és biztonságvédelmi rudak leeresztve - A reaktorban alig van hasadás, ill. szabad neutron Kerntechnische Gesellschaft H.-M. Prasser, 2003 Animáció, program 22

23 Indítsunk reaktort! 1. Csupasz reaktor, külső neutronforrás nélkül szab. rudak Indítás során: - Egyszerre kihúzzuk a biztonságvédelmi rudakat - A reaktorban még mindig alig van hasadás, ill. szabad neutron Kerntechnische Gesellschaft H.-M. Prasser,

24 Indítsunk reaktort! 1. Csupasz reaktor, külső neutronforrás nélkül Indítás során: - Felhúzzuk a szabályozó rudakat neutronok - A reaktorban megjelennek a hasadási neutronok, de igen kis számban Kerntechnische Gesellschaft H.-M. Prasser,

25 Indítsunk reaktort! 1. Csupasz reaktor, külső neutronforrás nélkül szab. rudak pozíciója Neutronfluxus és teljesítmény Indítás során: - A neutronok és a hasadások száma lassan nő - A szabályozó rudak pozíciójával a teljesítmény szabályozható Kerntechnische Gesellschaft H.-M. Prasser,

26 Indítsunk reaktort! 2. Csupasz reaktor, külső neutronforrással Indítás során: méréshatárváltás -Megfelelő rúdmagassággal elérhető a 100%-os teljesítmény - A neutrondetektor méréshatárát váltani kell!!! Kerntechnische Gesellschaft H.-M. Prasser,

27 Indítsunk reaktort! 2. Csupasz reaktor, külső neutronforrással Indítás során: - Indítás előtt ugyanaz a helyzet - BV rudak után a szabályozókat is kihúzzuk Kerntechnische Gesellschaft H.-M. Prasser,

28 Indítsunk reaktort! 2. Csupasz reaktor, külső neutronforrással Indítás során: - Behelyezzük a külső neutronforrást külső neutronforrás - Ennek hatására sokkal gyorsabban nő a neutronfluxus Kerntechnische Gesellschaft H.-M. Prasser,

29 Indítsunk reaktort! 3. Reflektoros reaktor, külső neutronforrással reflektor Indítás előtt: - Indítás előtt ugyanaz a helyzet - A reaktor körül ún. reflektor, amely a zónából kilépő neutronokat visszaveri a zónába (víz, grafit) Kerntechnische Gesellschaft H.-M. Prasser,

30 Indítsunk reaktort! 3. Reflektoros reaktor, külső neutronforrással Indítás során: - A reaktorból kilépő neutronok nem vesznek el - Gyorsabban nő a neutronfluxus Kerntechnische Gesellschaft H.-M. Prasser,

31 Indítsunk reaktort! 3. Reflektoros reaktor, külső neutronforrással kiégés Kiégés: - A hasadóanyag fogyásának figyelembe vételére is lehetőség van Kerntechnische Gesellschaft H.-M. Prasser,

32 SCRAM Reaktor gyorsleállítás Animáció Információ: 32