3. Előadás 2014 Molnár Zsuzsa Radanal
Az atommagban rejlő energia alkalmazása MAGHASADÁS/FISSZIÓ hasadóanyag: 235 U, 239 Pu, 233 U 235 U + n term 137 Te + 97 Zr + 2n gyors + 200 MeV, 4 sec 137 I, 25 sec 137 Xe, 4 perc 137 Cs, 30 év 137 Ba stabil Hasadási 97 Nb 97 Mo 97 Tc 97 Ru Stabil termékek MAGFÚZIÓ fúziós anyag: 2 H, 3 H, 6 Li, 6 Li 2 H 2 H + 2 H 3 He + n + 3. 2 MeV 2 H + 3 H 4 He + n + 17.62 MeV 3 H + 3 H 4 He + 2n + 11.3 MeV 6 Li + n 4 He + 3 H + 4.8 MeV több millió fok NEUTRON AKTIVÁLÁS/SZAPORÍTÁS szaporító anyag: 238 U... 238 U + n 239 U + 239 Np 239 Pu
Magfúzió Elv: A tórusz formájú reaktor kamrába trícium és deutérium keveréket juttatnak be. 15 millió fokosra hevítik és az így keletkező ionokat mágneses térrel körpályára kényszerítik. A reakcióban hélium keletkezik. A reaktor fala bórral ötvözött acél, mivel a bór befogja a reakció közben keletkező neutronokat, és így megakadályozza, hogy a környezetbe kikerüljön. A reaktor falát vízzel hűtik és az így keletkező gőzzel hajtják a turbinákat. A turbina villamos generátort működtet. Jelenleg a franciaországi Cadarache város mellett épül az ITER-nek nevezett kísérleti erőmű, amely már 500 MW leadására lesz képes. 2008 őszén kezdődtek meg az építési munkálatok; az első plazmaműveletet 2016-ra várják.
Maghasadás 236 92 96 38 140 54 U Sr Xe Sr, Xe együttes tömege: 235.941 az U-236 tömege: 236.11, a különbség 161.5 MeV energiának felel meg. http://atomfizika.elte.hu/magreszfiz/hanusovszkylivi a_atomreaktorok.pdf A maghasadás során a két hasadvány magon kívül néhány (U-235 esetén átlagosan 2,4) nagy energiájú, szabad neutron is keletkezik. A kiszabaduló neutronok száma attól függ, milyen hasadási termékek jönnek létre.
Az U-235 hasadásakor a magból nagyenergiájú neutronok lépnek ki, amelyek csak igen kis valószínűséggel hoznak létre újabb maghasadást. Ahhoz, hogy gyors neutronokkal valósítsunk meg láncreakciót, nagyon nagy dúsítású uránra van szükség, ez pedig igen drága megoldás. Járhatóbb út olyan anyagok alkalmazása, amelyek a gyors neutronokat annyira lelassítják, hogy azok nagy valószínűséggel hozzanak létre újabb hasítást. Ezek az anyagok a moderátorok. Moderátor használatával akár természetes uránnal (0,7% U-235-tartalom) is létrejöhet láncreakció. A moderátorként használt anyagokkal szemben két fő követelményt támasztunk: legyen minél kisebb rendszámú, és minél kevésbé legyen hajlamos a neutronok elnyelésére. Ezen igényeknek a gyakorlatban csak négy anyag felel meg: a hidrogén (H 2 O, könnyűvíz formában), a nehézhidrogén (D 2 O, nehézvíz formában), a szén (C, grafit formában) és a berillium (Be). A neutronok számát a reaktorban szabályoznunk kell, hiszen ettől függ a létrejövő maghasadások száma, és így a felszabaduló energia is. A láncreakció szabályozásához olyan anyagok kellenek, amelyek nagy valószínűséggel elnyelik a neutronokat. A leginkább használatos neutron-abszorbensek a kadmium (Cd) és a bór (B ). A szabályozás legfőbb eszközei az ún. szabályozó rudak, amelyek minden reaktorban megtalálhatók.
Üzemanyagciklus
Nukleáris üzemanyag ciklus Uránérc bányászat: - felszíni - mélyművelés Radon kerül a levegőbe, a meddőben marad a teljes aktivitás 85 %-a (Ra T 1/2 1600 év) Az urán 3-4g/t koncentrációban fordul elő a külső köpenyben, szétszórt, gyakori elem. Az 1000 m vastag külső köpenyben kb 10 12 t uránmennyiség található. Az óceánokban kb 3 mg/m 3 urán található, ez 4*10 9 t uránnak felel meg. Az uránércek (U 3 O 8 ) kitermelésre alkalmasak 0,05 % urántartalomig. Néha arany és rézérccel közösen fordul elő, ami a kitermelést gazdaságosabbá teheti. Az uránt részben mélyművelésű bányákban részben felszínközeli műveletekben termelik ki. Ércfeldolgozás: a kőzetet porrá őrlik, kénsavban feloldják, az oldatból a sárga U 3 O 8 -at kicsapatják Folyékony hulladék keletkezik
Izotópdúsítás Az uránt gáz halmazállapotú vegyületté alakítják: UF 6 (sztöchiometrikus összetétel, 349 ill. 352 g mólsúly (0,86% különbség) Dúsítás: természetes urán 0,71% U-235 reaktorban használt: 2-4% Gázdiffúziós ill. gázcentrifugás eljárás Energiaigényes eljárás Melléktermék: szegényített urán felhasználás: árnyékoló anyag, fegyverek, tankok burkolása A dúsítási műveletben rendszerint gáz halmazállapotú urán-hexafluoridot alkalmaznak. A kiindulási urán oxidot U 3 O 8 hidrogénnel urán-dioxiddá redukálják, majd hidrogénfluoriddal urán-tetrafluoriddá, végül urán-hexafluoriddá (UF 6 ) alakítják: UO 2 + 4 HF UF 4 + H 2 O UF 4 + F 2 UF 6
Az urán-hexafluorid színtelen, már szobahőmérsékleten illékony vegyület. Az urán-235 izotóp dúsítása történhet gázdiffúziós, gázcentrifugálásos és elválasztó-fúvókás módszerrel. Gázdiffúziós eljárás Gázcentrifuga A fűtőelem készítés további lépésében az urán-hexafluoridot újra urándioxiddá alakítják, melynek eredményeképpen por alakú urán-dioxid keletkezik. Ezt nyomás és szinterelés alkalmazásával tablettákká préselik.
Üzemelő atomreaktorok Ma 35-40 országban van üzemelő atomerőmű Típusai: - nyomottvizes (moderátor is és a hűtőközeg is víz, két vízkör) 60-70% - forralóvizes: gőzt vezetik a turbinára 20-25% - CANDU: D 2 O a moderátor 3-4% - RBKM grafit moderátor, hűtőközeg víz, gőzturbina 3-4% (nagy méretű reaktor építhető, nem kell reaktortartály, nehézkes szabályozás) Ma Magyarországon nincs urán bányászat, és fűtőelemgyártás sincs, a fűtőelemeket Oroszországtól vásároljuk. Hazánkban Pakson működik egy négy blokkból álló atomerőmű (2 új blokk építése van tervbe véve), valamint egy kutató és egy oktató reaktor működik Budapesten Környezeti hatások Gázkibocsátás: nemesgázok, trícium, C-14, I-131 Víz: trícium Hulladékok: -kis és közepes aktivitású - nagy aktivitású
Nyomottvizes reaktor
Nukleáris hulladékok kezelése Kis aktivitású hulladékok: - A paksi atomerőműben képződött kis és közepes aktivitású hulladékot a Bátaapáti tárolóban helyezik el. - A korházakban, kutató reaktorokban stb. képződő hulladék Püspökszilágyra kerül -Nagy aktivitású hulladékok (kiégett fűtőelemek): - 5 évig víz alatt tárolják az atomerőművi blokkon belül hűtés mellett - ezt követően a tervek szerint 50 évig Paks területén belül megépült Átmeneti tárolókban helyezik el, itt elég légcirkuláltatással biztosítani a hűtést - a végleges elhelyezésre a jelenleg ismert lehetőségek:- Bodajkon mélységi gránit kőzetbe való elhelyezés; - visszaszállítás Oroszországba reprocesszálás ill. végleges elhelyezés céljából; - transzmutáció 1. lépés: az aktinidák és a hosszú élettartamú hasadási termékek a reprocesszált kiégett üzemanyagból történő leválasztása, amely kémiai és/vagy metallurgiai műveletek komplex sorozata. 2. lépés: transzmutáció: neutronokkal kiváltott magreakciók, amelyek a hosszú felezési idejű radioizotópok rövid élettartamú vagy stabil izotópokká alakulását eredményezik.
Reprocesszálás A minimum 5 évet pihent fűtőelemeket feldarabolják és salétromsavban oldják, az urán szerves extrakcióval (TBP) választható el a hasadási termékektől. Az urán valamint a plutónium a szerves fázisba kerül és oxiddá alakítva MOX (mixed-oxid fuel) állítható elő. Ma csak a fűtőelemek igen kis hányadát reprocesszálják, bíznak abban, hogy jobb technológiát sikerül kidolgozni (transzmutáció)
Bátaapáti Átmeneti tároló Nukleáris balesetek - Kyshtym/USSR - Windscale/GB - TMI/USA - Chernobyl/USSR 2500 2000 40 6x10 5 Események napjainkig max. indiv.: 500 msv 100 msv 1 msv 500 msv
Orvosi alkalmazások Röntgendiagnosztika: mellkas-szűrés 0,05-0,5 msv (fejlett országokban több szűrés, alacsonyabb dózis + a CT megjelenése magasabb átlag dózis) Izotópdiagnosztika: általában Tc-99m-et, I-131-et, néha Se-t használnak, PET CT Sugárterápia: - külső forrás (általában Co-60), kevés embert jelent, de a dózis igen nagy -Radiofarmakonok pajzsmirigy kezelésnél I-131 5-10 GBq P-32, Au-198, Y-90 is számításba jön.
Hypertirózis radiojód terápia: 185-740 MBq 131-I izotóppal kezelhető a betegség
PET (pozitron emissziós tomográfia) A technika a "funkcionális metszetképalkotó" módszerek közé tartozik, amelynek széleskörű alkalmazásait egyaránt megtaláljuk a rutinszerű klinikai diagnosztikus munkában, valamint az orvosi és biológiai kutatásokban. A PET módszerrel metszeti képeket állíthatunk elő az élő rendszerekről, anélkül, hogy megbontanánk az egységüket. Olyan tulajdonságok vizsgálatát jeleníthetjük meg képek formájában, amelyek a szervezetben lejátszódó folyamatokkal, az életjelenségekkel kapcsolatosak. Az1. ábrán látható egészséges személyről készített kontroll agyi felvételen a kontúrhoz közeli meleg színek (sárga, piros) például azt jelzik, hogy ezek a régiók (az agy szürke állománya) nagymértékben felhalmozták a radiofarmakont, ami ebben az esetben egy cukormolekula (FDG: radioaktív fluor izotóppal jelölt dezoxiglukóz). A test hossztengelyére merőleges metszetek belső régióinak hideg színei (kék, zöld) arra utalnak, hogy a fehérállomány cukorfelvétele sokkal kisebb mértékű, illetve az agykamrákban minimális mennyiségű FDG gyűlik össze. Agy cukor felvétele Epilepsziás rohamok között Tumoros sejtek fokozott a cukor anyagcsere csökkent mér cukorfelvétele
A cukoranyagcsere nagy érzékenységû vizsgálata teremti meg a lehetõséget két további speciális alkalmazásra. Kis kiterjedésû, CT (komputer tomográfia) és MRI (mágneses rezonanciás tomográfia) vizsgálattal nem kimutatható daganatok esetén elõfordulhat, hogy a tumoros folyamatról csak a (távoli) áttétek kialakulása révén szereznek tudomást úgy, hogy megelõzõen a primér daganatot nem sikerült azonosítani. Az áttét megfelelõ ellátása (mûtéti beavatkozás, sugárkezelés, kemoterápia) után is gyakran megesik, hogy a primér tumor rejtve marad és így a beteg nem lehet tumormentes. Ilyen esetekben komoly segítséget jelenthet a nagy érzékenységû FDG-PET egésztestvizsgálat (a 6. ábrán a nyíl mutatja a primér tumoros gócot). Szívinfarktusokat követõen gyakran felmerül a szívmûtétek szükségessége, hogy a szívkoszorús erek elzáródása miatt csökkent vérellátásban részesülõ szívizom-állományban helyreállítsák az egészséges állapotnak megfelelõ vérellátási viszonyokat. Ennek a beteget nagyon megviselõ és költséges sebészi beavatkozásnak természetesen csak akkor van értelme, ha az a beteg javára szolgál. A szívmûtétek elõtt elvégzett FDG-PET vizsgálattal eldönthetõ, hogy a rossz vérellátású területen van-e életképes szívizom, mert ellenkezõ esetben a vérellátási viszonyok javításával a beteg állapota semmit sem javul. A 7. ábrán a szív keresztmetszeti képén a nyíllal jelölt területen a szívizom cukorfelvételében mutatkozó hiány elhalt szívizomszövetre utal.