Mag- és neutronfzka 10. elıadás Emlékeztetı: Láncreakcó neutronokkal Láncreakcó dıbel változása: Késı neutronok, és szerepük! Késı neutron hányad: β Reaktvtás: k 1 ( t) Effektív n-sokszorozásn tényezı: = 0 e + 1 k = k 1 t l eutronok generácós deje ρ = Reaktvtás dollár ($) k Reaktvtás dollár ($) = ρ/β 1/24 Mtıl függ a k? Egyelıre tekntsünk el a kszökéstıl végtelen nagy reaktor! Ennek jellemzıje lesz: k A reaktorunk jellemzı: termkus reaktor (moderátor, lassú neutronok), szerkezet anyagok (nemcsak üzemanyag) üzemanyag dúsított urán (tehát marad 238 U s) Fgyelembe kell majd venn a 238 U abszorpcóját: Rezonancák!! 2/24 égyfaktor formula (végtelen kterjedéső n-sokszorozó n közeg) Maghasadás ν (gyors neutronok) Rezonanca- Befogódás más befogás ( U) anyagban (1-p) (1-f) Rezonanca-kkerülés tényezı 0,6 < p < 0,9 Termkus hasznosítás tényezı (f) Termkus neutronhozam (csak a hasadó magtól függ) k = ν p f σ η= ν f σ abs σ f σ abs 235 U(n,γ) σ σ 1 f σ abs σ f abs Maghasadás ε Gyorshasítás tényezı 1,00 < ε < 1,03 3/24 égyfaktor formula (folyt.) Összefoglalva: k Termkus neutronhozam = η p f ε Gyorshasítás tényezı Rezonanca-kkerülés tényezı Termkus hasznosítás tényezı Reaktor-üzemanyagok jellemzı (termkus neutronokra): 233 U 235 U σ f (barn) 531 584 σ a (barn) 577 683 2,50 2,43 2,30 2,08 Lassulás p f Befogódás Lassulás hasadó- (rezonanca (termkus anyagban neutronok) neutronok) ε 238 U 5 10 2,71 - - U nat 4,18 7,69 2,27 1,34 239 Pu 750 1021 2,88 2,11 η mutatja, hogy a több faktorral mennyt kell elérn! Pl. természetes urán üzemanyagra p f ε > 1/1,34 = 0,746, külön- ben végtelen nagy reaktornál sem lehet önfenntartó láncreakcó ν η 4/24 1
Rezonanca-kkerülés kkerülés: nhomogén atomreaktor (Szlárd Leó ötlete) ks átmérıjő üzemanyagpálcákból álló rács φ =7,6 mm hasadás gyors neutronok kjönnek belıle moderátorban lelassulnak (átvészelk a rezonanca-tartományt) lassú neutronként dffundálnak vssza. Példa: Paks Atomerımő üzemanyaga pasztllák (UO 2 keráma) L=2500 mm φ = 9 mm üzemanyagpálca hatszöglető kötegek ek (349 db) (126 pálca/köteg) laptávolság: 144 mm (126 pálca/köteg) laptávolság: 144 5/24 mm Véges mérető reaktor,, kszökés fgyelembe vétele A reaktorban maradó k = η p f ε P neutronhányad P<1 (kszökés faktor) A moderáltság szempontjából fontos a rácsparaméter Túl sőrő rács A neutronok nem lassulnak le eléggé a pálcák között k (ll. ρ ) még nıhetne Túl rtka rács A moderátor-fölösleg már nem lassít tovább, csak elnyel csökken a k Alulmoderált munkapont ρ = 0 Felülmoderált munkapont Bztonságos üzem szempontjából fontos! (üzemzavarban/balesetben a moderátor hamarabb elvész, mnt az üzemanyag, a moderáltság csökken) 6/24 Atomreaktor elv felépítése üzemanyag (urán, plutónum, MOX) moderátor (víz, nehézvíz, graft) hőtıközeg (folyadék, gáz) szabályozó elemek (bóracél rudak, hőtı- közegben oldott bórsav) bológa védelem (beton, nehézbeton) üzemzavar és bztonságvédelm Az atomreaktorok osztályozása (1) Cél szernt kísérlet reaktorok (zotóp elıállítás, magfzka kutatás, oktatás) erımőv reaktorok (energatermelés) tenyésztı reaktorok (új hasadóanyag elıállítása, ld. késıbb) mpulzusreaktorok (különleges magfzka vzsgálatok) anyagvzsgáló reaktorok (szerkezet anyagok vzsgálata) berendezések 7/24 8/24 2
Az atomreaktorok osztályozása (2) Hasadóanyag szernt - 235 U (különbözı dúsítások) 233 U Elıállítása: 232 233 β (22,2 perc) 233 β (27 nap) 233 5 90Th + n 90Th 91Pa 92 U (1,6 10 év) 239 Pu Elıállítása: 238 239 β (23,5 perc) 239 β (2,35 nap) 239 U + n U p Pu (24390 év) - 233-239 92 92 93 Szaporítás! (Breeder( Breeder) ) Hasadóanyagot állítunk elı ) - MOX (mxed oxde fuel): urán és plutónum oxd keverék Jelentısége: atomfverekbıl származó 239 Pu megsemmsítése Üzemanyag elrendezése szernt - homogén reaktorok (hasadóanyag és moderátor elkeverve) - heterogén reaktorok (hasadóanyag szétválasztva a moderátortól) 94 9/24 Az atomreaktorok osztályozása (3) Moderátor szernt - H 2 O (könnyővíz) - D 2 O (nehézvíz) - C ( reaktortsztaságú graft) - Be (berllum) - szerves anyag (C és H) Hőtıközeg szernt - H 2 O (könnyővíz) - D 2 O (nehézvíz) - folyékony fém (a, Pb ) - gáz (He, CO 2 ) - szerves anyag 10/24 A jelenleg üzemelı reaktortípusok (elv technológa) jellegő csoportosítása A fosszls erımő és az atomerımő elv felépítése Kereskedelm úton beszerezhetı reaktorok Vízhőtéső reaktorok (WR) Gázhőtéső reaktorok (GCR) Szaporító reaktorok (BR) ehézvzes reaktorok (HWR) Könnyővzes reaktorok (LWR) Magas hımérséklető gázhőtéső reaktor (HTGR) Magnoxreaktor yomott nehézvzes reaktor (PHWR) CADU reaktor yomottvzes reaktor (PWR) ehézvzes vízforralásos reaktor (SGHWR) Vízhőtéső, graftmoderátoros forralóvzes reaktor (RBMK) Forralóvzes reaktor (BWR) Gázhőtéső gyors szaporító reaktor (GFBR) Folyékony fém hőtéső (gyors) szaporító reaktor (LMFBR) Sóolvadékos szaporító reaktor (MSBR) 11/24 12/24 3
A fosszls erımő és az atomerımő elv felépítése A FORRALÓVIZES ATOMREAKTORRAL MŐKÖDİ ERİMŐVEK ELVI FELÉPÍTÉSE 1 Reaktortartály 7 TápvT pvíz 13 HőtıvízH 2 FőtıelemekF 8 agynyomású turbna 14 Tápvíz z elımeleg melegítı 3 Szabályoz lyozórúd 9 Ksnyomású turbna 15 Tápvíz szvattyú 4 Kerngtetı szvattyú 10 Generátor 16 HőtıvízszvattyH zszvattyú 5 Szabályoz lyozórúd d hajtás 11 Gerjesztı gép 17 Betonvédelem 6 Frss gız 12 Kondenzátor 13/24 14/24 A YOMOTTVIZES ATOMREAKTORRAL MŐKÖDİ ERİMŐVEK ELVI FELÉPÍTÉSE A EHÉZVIZES ATOMERİMŐ ELVI FELÉPÍTÉSE 1 Reaktortartály 8 Frss gız 14 Kondenzátor 2 FőtıelemekF 9 TápvT pvíz 15 HőtıvízH 3 Szabályoz lyozó rudak 10 agynyomású turbna 16 TápvT pvíz z szvattyú 4 Szabályozórúd hajtás 11 Ksnyomású turbna 17 Elımelegítı 5 Térfogatkompenzátor 12 Generátor 18 Bológa védelem 6 Gızfejlesztı 13 Gerjesztı gép 19 Hőtıvíz szvattyú 7 Fı kerngtetı szvattyú 15/24 16/24 4
A GÁZHŐTÉSŐ ATOMERİMŐ ELVI FELÉPÍTÉSE AZ RBMK ATOMERİMŐ ELVI FELÉPÍTÉSE 17/24 1 Urán-üzemanyag 9 GızturbnaG 2 yomócs csı 10 Generátor 3 Graft moderátor 11 Kondenzátor 4 Szabályz lyzórúd 12 Hőtıvíz H z szvattyú 5 VédıgázV 13 HıelvezetH elvezetés 6 Víz/gV z/gız 14 TápvT pvíz z szvattyú 7 Cseppleválaszt lasztó 15 Elımeleg melegítı 8 Gız G z a turbnához 16 TápvT pvíz 17 Víz V z vsszafolyás 18 Kerngtetı szvattyú 19 VízelosztV zelosztó tartály 20 Acélk lköpeny 21 Betonárny rnyékolás 22 Reaktorépület 18/24 GYORS TEYÉSZTİREAKTOROS ERİMŐ ELVI FELÉPÍTÉSE GOLYÓHALOM REAKTOROS ERİMŐ ELVI FELÉPÍTÉSE (Thorum Hgh Temperature Reactor ) 19/24 20/24 5
Egy ks történelem: 1932 eutron felfedezése (James( Chadwck) 1934 eutronos láncreakcó ötlete (Szlárd Leó) 1938 Maghasadás felfedezése (Otto Hahn, Fredrch Strassmann, Lse Metner) 1942 dec. 2. Elsı atommáglya (Chcago) (Enrco Ferm,, Szlárd Leó, Wgner Jenı) 1943 Hanford nagyteljesítményő atomreaktorok elndulnak (Wgner Jenı) Cél: plutónum termelés 1939-1945 1945 Manhatten Project (atomfver kfejlesztése) tudományos vezetı: Robert Oppenhemer 1945. júlus 16. Elsı kísérlet atomrobbantás ( Trnty kísérlet ) Alamogordo svatag, USA 239 Pu-alapú bomba 1945. augusztus 6. Hroshma bombatámadás ( 235 U-alapú bomba) 1945. augusztus 9. agasak bombatámadás ( 239 Pu-alapú bomba) 1954 Elsı békés célú atomerımő (Obnynszk( Obnynszk, Szovjetúnó,, 5 MW e ) 21/24 1942 dec. 2. Elsı atommáglya (Chcago) (Enrco Ferm,, Szlárd Leó, Wgner Jenı, ) Üzemanyag: természetes urán (fém gömbök) Moderátor: tszta graft Szabályozó elemek: kadmum lemezek Hőtıközeg: nncs (max( max.. teljesítmény 2 W) 22/24 Hogyan lehet megközelíten a krtkus állapotot? (Csak kcsvel szabad túllépn, nehogy prompt-krtkus len!) + 1 Kndulás: k = Ebbıl: +1 = k akkor, ha csak n-sokszorozás van! Tünk be neutronforrást s, amelynek ntenztása olyan, hogy S neutront bocsát k generácós dı alatt! Ekkor: k +1 forrásból <1 = S + k = S + k elızı generácóból Amíg elıbb-utóbb ensúly áll be, azaz azaz ambıl Ezzel k mérhetıvé válk!! = = +1 S = 1 k 23/24 Amíg < 1 k ensúly áll be: S = 1 k Amkor túlléptünk a krtkus állapoton, exponencáls növekedés ndul be: exponencáls kísérlet 24/24 6