IV. generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI
Az atomenergia jelenlegi helyzete a világon 435 atomerőmű működik (2015. február) 31 ország, összesen 375 000 MWe kapacitás 70 reaktort építenek 56 országban 240 kutatóreaktor 180 reaktor anyahajókon és tengeralattjárókon
Jelenleg működő atomerőművek
Energiatermelés az egyes országokban 4
Reaktorgenerációk Generation I Early Prototype Reactors Generation II Commercial Power Reactors Generation III Advanced LWRs Near-Term Deployment Generation IV -Shippingport -Dresden, Fermi I -Magnox -LWR-PWR, BWR -CANDU -VVER/RBMK -ABWR -System 80+ -AP600 -EPR Generation III+ Evolutionary designs offering improved economics 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 -Highly Economical -Enhanced Safety -Minimal Waste -Proliferation Resistant Gen I Gen II Gen III Gen III+ Gen IV Atoms for Peace TMI-2 Chernobyl 5
Mi lehet hasadóanyag? Urán (235, 238?) különbségek Termikus reaktorok: csak 235 (miért?) 6
Mi lehet hasadóanyag? Pu-239, Pu-240, Pu-241 (termikus reaktor: 239,241) 7
Hogyan keletkeznek ezek? 238 U(n,γ) 239 U reakció 8
Radioizotópok keletkezése Csoportjai: Hasadási termékek Transzurán izotópok Hasadási termékek: Nemesgázok (Xe, Kr) Illékony hasadási termékek (I, Cs, Te) Nem illékony hasadási termékek (Ru,Ba,Mo) Transzurán izotópok (aktinoidák): elsődleges (Pu iz.-ok) másodlagos(np, Am, Cm) Mi ezekkel a gond?
Transzurán izotópok keletkezése 10
Mi lehet hasadóanyag? (3) U-233 (vajon miből keletkezik?) 11
Hogyan keletkezik az U-233? 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 12
4. generációs reaktorkoncepciók 6 típust választottak ki a kutatások céljára Miért érdemes ezeket kutatni? Az NTI a 6-ból 5 típus kutatásában vesz részt a kezdetek óta (kb. egy évtizede) 13
Mi a célkitűzés? Fenntarthatóság Fenntartható energiatermelés az üzemanyag hatékony hasznosításával A radioaktív hulladék minimalizálása és kezelése, a jövő generációkra háruló terhek csökkentése Biztonság és megbízhatóság Zónasérüléses balesetek rendkívül kis valószínűsége Külső veszélyeztetés nullára szorítása Gazdaságosság Élettartamra jutó költségek csökkentése (más energiaforrásokhoz képest is alacsony értékre) Pénzügyi kockázatok csökkentése Proliferáció-állóság és fizikai védelem Ne legyenek vonzók a létrejövő/felhasznált anyagok Terrorizmus ellen biztosított, magas fokú fizikai védelem 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 14
A radioaktív hulladék minimalizálása Transzmutáció: nagyon hosszú felezési idejű radionuklidok átalakítása rövidebb felezési idejűvé Alkímia? Nem: valóság Mi a fizikai alapja? -> a magfizika 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 15
A radioaktív hulladék minimalizálása 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 16
A radioaktív hulladék minimalizálása (2) 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 17
Gyorsreaktorok Az előbbi magfizikai okok miatt (is) érdemes gyorsreaktor építeni Nem lesz ebből bomba? Nem de miért? Gyorsreaktorok képesek a saját üzemanyaguk előállítására Képesek elhasználni a termikus reaktorokból kikerülő üzemanyagot is (MOX) Ez az üzemanyagciklus zárása 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 18
Gen IV koncepció jellemzők SFR Nátriumhűtésű gyorsreaktor Hűtőközeg: Na közbenső hűtőkör T ki : ~ 550 C P: 150 1500 MW e fémurán vagy MOX ÜA Előnyök: hulladék mennyiségének minimalizálása Jó uránhasznosítás 19
Gen IV koncepció jellemzők LFR Ólomhűtésű reaktor Közeg: Pb vagy Pb-Bi T ki : ~ 550 800 C P: 500 1200 MW e fém urán vagy MOX ÜA Nitrid üzemanyag Kampányhossz: 15 30 év Előnyök: Proliferációálló Passzív biztonság Természetes cirkulációval is működhet 20
Nátriumhűtésű reaktor BN-600, BN-800, BN- 1200: orosz reaktorok (az első kettő működik, energiát termel) Phoenix, Superphoenix: francia reaktorok voltak ASTRID: francia (EU) prototípus-reaktor Kína, India 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 21
Miért folyékony fém? Generation IV célok transzmutáció, aktinida égetés ÜA ciklus zárása Magas hőmérséklet, folyamathő hasznosítás távfűtés tengervíz sótlanítás olajfinomítás H termelés Stb. Kell: gyorsneutron-spektrum és magas kilépő hőmérséklet Közeg Víz Folyékony fémek Gáz 22
Sóolvadék, mint hőszállító közeg Hélium Nátrium Sóolvadék Magas nyomás Légköri nyomás Légköri nyomás átlátszó nem átlátszó átlátszó forráspont: - 883ºC > 1200ºC Inert hevesen reagál enyhén reaktív 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 23
Sóolvadékos reaktor 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 24
Sóolvadékos reaktor Ennek aktív zónája nem tud megolvadni már olvadt Referencia MSR paraméterei Reaktorparaméter Nettó teljesítmény, MW e Teljesítménysűrűség, MW hő m 3 Nettó átalakítási hatásfok, % Olvadt só belépő hőmérséklete, C kilépő hőmérséklete, ºC Moderátor Energiaciklus Neutronspektrum Referencia érték 1000 22 44-50 565 700 (850 hidrogéntermelés esetén) Grafit Multi újrahevítésű, rekuperatív héliumos Brayton-ciklus Termikus 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 25
Sóolvadékos reaktor Fő jellemzők Jó neutron-hasznosítás: alkalmazható aktinida égetésre (transzmutációra) vagy hasadóanyag-tenyésztésre Magas hűtőközeg-hőmérséklet alkalmas lehet hidrogéntermelésre, folyamathő hasznosításra Sóolvadékok alacsony nyomáson tarthatók Folyékony üzemanyag: folyamatos, üzem közbeni lehetőség összetétel változtatására, hasadási termékek, mérgek, stb. kivonására Magas rendelkezésre állás Th is hasznosítható (Th-U-233 ciklus) Fluorid sóolvadékok: NaF/ZrF 4 Sóolvadékok nem reagálnak hevesen vízzel Kompatibilitási problémák/kérdések Korróziós problémák 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 26
Gázhűtésű gyorsreaktor (GFR) A GFR egy gyorsneutronspektrumú, héliumhűtésű, zárt üzemanyagciklusú reaktor, magas kilépési hűtőközeghőmérséklettel (850 C). A magas hőmérséklet lehetővé teszi, hogy a GFR-hez közvetlen ciklusú gázturbinás rendszer kapcsolódjék (Brayton-ciklus), ami magas energiaátalakítási hatásfokú (~48%) villamosenergiatermelést tesz lehetővé. A magas kilépő hőmérséklet folyamathő előállítására, így pl. hidrogéntermelésre is alkalmassá teszi az atomerőművet. 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 27
Gázhűtésű gyorsreaktor (GFR) A rendszer teljesen integrált kivitelben is megvalósítható, a kiégett üzemanyag reprocesszálható a helyszínen (pirometallurgiai vagy más száraz eljárással) Az összes hosszú életű radioizotóp (hasadási termék és aktinidák) az üzemanyagba történő helyszíni beépítését követően visszavezethetők a reaktorba transzmutálás céljából. Ezáltal minimalizálható a nukleáris anyagok szállítása proliferáció-állóság. 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 28
Gázhűtésű gyorsreaktor (GFR) Különböző típusú üzemanyagok jöhetnek szóba a magas hőmérsékletű üzem feltételei között. A kemény gyorsneutron-spektrum jó hasadóanyag-újratermelő képességet (legalább egységnyi tenyésztési tényezőt) és magas transzmutációs hatékonyságot kölcsönöz a rendszernek. Az előbbi a rendelkezésre álló nukleáris üzemanyagkészletek köztük a szegényített uránt tartalmazó dúsítási maradék hatékony hasznosítását, az utóbbi a hosszú életű transzuránokat tartalmazó radioaktív hulladékok mennyiségének minimalizálását eredményezi. 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 29
Gázhűtésű gyorsreaktor (GFR) Prototípusa az ALLEGRO lesz Visegrádi együttműködés Nagyon komoly magyar részvétellel Szlovákiában épülhet meg 75 MW kísérleti reaktor Rozsdamentes acél burkolat, MOX üzemanyag Keramikus üzemanyag tesztelése Kiterjedt kutatási program 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 30
Nagyon magas hőmérsékletű reaktor (VHTR) A termikusneutron-spektrumú, nyitott üzemanyag-ciklusú VHTR rendszert a villamosenergia-termelésen túl elsősorban magas hőmérsékletű folyamathő előállítására szánják: szénelgázosítás termokémiai hidrogéntermelés céljából 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 31
Nagyon magas hőmérsékletű reaktor (VHTR) Fejlesztése a grafitmoderátoros, héliumhűtésű reaktorok tekintélyes mennyiségű tapasztalatain alapul, ezért viszonylag gyors kifejlesztése és rendszerbe állítása remélhető. Kínában épül, Japánban működött 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 32
Nagyon magas hőmérsékletű reaktor Az aktív zóna építhető hasáb alakú blokkokból, amilyen a japán HTTR, valamint a General Atomics és mások közös fejlesztése alatt álló GT-MHR, vagy lehet golyóágyas (pebble bed), mint amilyen pl. a Dél-Afrikában fejlesztett PBMR. Az 1000 ºC körüli kilépő hőmérséklet alkalmas nagyon jó hatásfokú villamosenergia-termelésre és termokémiai hidrogénelőállításra egyaránt. (VHTR) 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 33
Nagyon magas hőmérsékletű reaktor (VHTR) Egy ilyen feladatra dedikált 600 MWhő teljesítményű VHTR több, mint 2 millió normál m 3 hidrogént képes előállítani naponta. A magas hőmérséklet eredményeként a villamos energiát legalább 50%-os hatásfokkal termeli. A hő és a villamos energia kogenerációja a VHTR-t vonzó hőforrássá teszi nagy ipari létesítményekhez. A 1000 ºC feletti zónakilépő hőmérséklet a nukleáris hőt képessé teszi olyan folyamatokhoz történő alkalmazásra, mint pl. az acél- és alumíniumtermelés. Reaktorparaméter Reaktorteljesítmény, MW hő Hűtőközeg be/kilépő hőmérséklete, ºC Hűtőközeg be/kilépő nyomása Hélium tömegárama, kgs -1 Átlagos teljesítménysűrűség a reaktorban, MW hő m 3 Referencia üzemanyag Nettó erőműhatásfok, % Referencia érték 600 640/1000 Folyamattól függő 320 6-10 ZrC-burkolatú szemcsék, pálcák vagy golyók. >50 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 34
Szuperkitikus vízhűtésű reaktor (SCWR) 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 35
Szuperkritikus folyadék Vízre: T C =373,95 C p C =220,64 bar Meredek anyagjellemző-változás a pszeudokritikus hőmérséklet szűk környezetében Szuperkritikus fluidum 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 36
SCWR (HPLWR) Műszaki nehézségek, nyitott kérdések: Extrém magas nyomás, magas hőmérsékletanyagtechnológiai kérdések (szerkezeti anyagok); DHT (Deteorioration Heat Trasfer) jelenség, a tömegáram fluxushoz képest aránylag magas hőfluxusok esetén a hőátadási tényező eloszlás elfajulásaszerepe? Negyedik hőterjedési mód: Piston effektus Szerepe, dominanciája? Tervezéshez mérések és új eszköz használata (CFD kódok)? Validáció szükséges! 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 37
Miért használjuk a szuperkritikus vizet? Az SCW műszaki jelentősége A p krt =221 bar fölött melegítve a vizet nem lép fel fázisátalakulás nincs forráskrízis, kiszáradás, felületi túlhevülés; Izobár fajhő csúcs magasabb hűtőközeg entalpia növekedés azonos hűtőközeg tömegáram több hőt tud elvonni kevesebb hűtőközeg szükséges azonos blokkteljesítménynél és így kisebb szivattyúk, kisebb belső átmérőjű primerköri csövek szükségesek. T in h b = T out T in c p dt T out 4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 38
A világ energiaszükséglete 39