Az atommagtól a konnektorig (Az atomenergetika alapjai) Dr. Aszódi Attila, Boros Ildikó BME Nukleáris Technikai Intézet Pázmándi Tamás KFKI Atomenergia Kutatóintézet Szervező: 1
Az atom felépítése kb. 10-14 m átmérőjű atommag: protonok + neutronok kb. 10-10 m átmérőjű elektronfelhő 2
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
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
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
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
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
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
Radioaktivitás Felezési idő: az az idő, ami alatt egy radioaktív izotóp adott számú atomjainak fele elbomlik. Pl.: Legyen 10.000 darab trícium atomunk, melynek felezési ideje 12,3 év. Ekkor - 12,3 év múlva 5.000 db, - 24,6 év múlva 2.500 db, - 36,9 év múlva 1.250 db el nem bomlott trícium atomunk lesz. 9
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. 5500 Bq, (vagyis másodpercenként kb. 5500 darab kálium-40-es atommag bomlik el a szervezetében) 10
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
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
A láncreakció A hasadásból átlagosan 2,4 gyors neutron is kilép, ezeket az ún. moderátorral lelassítva újabb hasadásokat hozhatunk létre 13
A láncreakció Animáció 14
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
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
Az atomerőmű működése Animáció 17
Az atomerőművek fő típusai Nyomottvizes reaktorral szerelt (PWR) Forralóvizes reaktorral szerelt (BWR) Zárt primer kör, a nagy nyomású (120-140 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
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
Forralóvizes reaktorral szerelt atomerőművek reaktortartály fűtőelemek frissgőz tápvíz turbina generátor szabályozórudak sz. rudak hajtása betonvédelem fő keringető szivattyú előmelegítő tápvízszivattyú kondenzátor hűtővíz 20
Atomreaktorok Magyarországon Paks Nyomottvizes Energetikai 4*440 MWe KFKI Medence típusú Kutató 10 MWth BME Medence típusú Oktató / kutató 100 kwth 21
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
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, 2003 23
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, 2003 24
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, 2003 25
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, 2003 26
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, 2003 27
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, 2003 28
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, 2003 29
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, 2003 30
Indítsunk reaktort! 3. Reflektoros reaktor, külső neutronforrással kiégés Kiégés: - A hasadóanyag fogyásának figyelembe vételére is lehetőség van Kerntechnische Gesellschaft H.-M. Prasser, 2003 31
SCRAM Reaktor gyorsleállítás Animáció Információ: aszodi@reak.bme.hu boris@reak.bme.hu 32