FENNTARTHATÓ FEJLİDÉS ÉS ATOMENERGIA 4. elıadás AZ ATOMREAKTOROK FIZIKAI ÉS TECHNIKAI ALAPJAI, ATOMERİMŐVEK 2009/2010. tanév ıszi féléve Dr. Csom Gyula professor emeritus TARTALOM 1. Magfizikai alapok 2. Reaktortechnikai alapok, reaktortípusok 3. Atomerımővek elvi felépítése 4. Energetikai atomreaktorok 5. Atomerımővek 6. A VVER-440-es atomerımő (paksi atomerımő) 7. Egzotikus reaktorok Fıbb ellenırzı kérdések Dr. Csom Gyula, BME NTI 4 / 1 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 2 1. MAGFIZIKAI ALAPOK 1. MAGFIZIKAI ALAPOK - 2 Az energia és a tömeg ekvivalenciája (Einstein, 1905) 2 E 2 E = mc = c m m: tömeg, E: energia, c: vákuumbeli fénysebesség Bohr-féle atommodell (1913) Az atommag felépítése, nukleonok (proton, neutron): Z+N = A, Tömegdeffektus az atommagban: M = [ Zmp + Nmn ] M > 0 Kötési energia az elektronhéjban és az atommagban Fajlagos kötési energia az atommagban e = k E k A MeV nukleon >> e k,elektronhéj 1. ábra. A fajlagos kötési energia tömegszám(a) függvényében A ZX MAGENERGIA-HASZNOSÍTÁS ELVI LEHETİSÉGEI Magfúzió D+D = 4 He reakciónál: E f 24 MeV/fúzió Maghasadás MeV E k 236 0,9 200MeV / hasadás nukleon Ezek: energetikai lehetıségek Feltételek: a reakciók valóban le is játszódjanak Magfúziónál: igen magas hımérséklet Maghasadásnál: Gerjesztés: neutronnal Spontán (nagy A-nál) Kémiai reakció (pl. C+O 2 = CO 2 ) E k 10-30 ev/reakció Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 3 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 4
Stabil izotópok atommagjainak összetétele: - N-Z görbe - Neutrontöbblet - Neutronfelesleg - Neutronhiány - Radioaktivitás 1. MAGFIZIKAI ALAPOK - 3 Oka: az izotóp nincs a stabil izotópok tartományában (instabil) 2. ábra. A neutron- és a protonszám összefüggése a stabil izotópok magjában (N-Z-görbe) Az önfenntartó láncreakció feltétele: a fenti görbe alakja miatt a maghasadásnál szabad neutronok keletkeznek. 1. MAGFIZIKAI ALAPOK - 4 MAGHASADÁS (O. Hahn és F.Strassmann, 1939. dec.) Prompt neutronok (energia szerinti eloszlás) Késı neutronok (energia szerinti eloszlás) Hasadási termékek (hasadványok) Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 5 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 6 1. MAGFIZIKAI ALAPOK - 5 1. MAGFIZIKAI ALAPOK - 6 Egyik lehetıség: A NUKLEÁRIS LÁNCREAKCIÓ (Szilárd Leó szabadalmi bejelentése, 1935.) Keletkezési gyakoriság: y i Neutronciklus Ciklusidı Sokszorozási tényezı: Reaktivitás: A HASADÁSI TERMÉKEK RADIOAKTÍVAK (neutronhiányosak)! Kritikusság: k = 1, ρ = 0 Szuperkritikusság: k >1, ρ > 0 Szubkritikusság: k < 1, ρ < 0 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 7 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 8
1. MAGFIZIKAI ALAPOK - 7 MAGÁTALAKÍTÁS Izotóptermelés Új hasadóképes izotópok elıállítása Hosszú élető radioizotópok átalakítása (transzmutáció) Hasadási termékek: pl. 99 Tc(2,1 10 5 év), 129 I(1,6 10 7 év) Aktinidák: Domináns aktinidák (Pu-izotópok) Másodlagos aktinidák: pl. 237 Np(2,14 10 6 év), 241 Am(433 év), 245 Cm(9300 év) Következmény: növeli a hasznosítási hatásfokot radioaktív izotópokat (transzuránokat) termel 2. REAKTORTECHNIKAI ALAPOK, REAKTORTÍPUSOK Atomreaktor definíciója: Az a mőszaki létesítmény, amely biztosítja a maghasadáson alapuló önfenntartó láncreakció hosszantartó szabályozható megvalósulását. Atomreaktorok felépítése: Termikus reaktorok (haszn. hatásfok kb. 0,5-0,6%) Gyorsreaktorok (haszn. hatásfok kb. 10-50%) Intermedier reaktorok Sokszorozási tényezı Üzemanyag, főtıelem (U, UO 2, MOX, UC) Moderátor (H 2 O, D 2 O, grafit) Hőtıközeg (H 2 O, D 2 O, CO 2, He, folyékony fém) Aktív zóna Kritikus tömeg Kritikus térfogat Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 9 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 10 2. REAKTORTECHNIKAI ALAPOK, REAKTORTÍPUSOK - 2 CSOPORTOSÍTÁS A RENDELTETÉS ALAPJÁN Szubkritikus rendszerek Kritikus rendszerek ( Zéró reaktorok ) Kutatóreaktorok (pl. KFKI AEKI atomreaktora, 1959-) Forrásreaktorok Anyagvizsgáló reaktorok Oktatóreaktorok (pl. BME atomreaktora, 1971-) Energetikai reaktorok (pl. paksi atomerımő reaktorai, 1982-) 2. REAKTORTECHNIKAI ALAPOK, REAKTORTÍPUSOK - 3 ENERGETIKAI REAKTOROK TÍPUSAI GGR (incl. Magnox reaktorok) AGR HTGR THTR LWR: PWR (pl. paksi atomerımő VVER reaktorai) BWR HWR: (incl. CANDU) RBMK (pl. csernobili atomerımő reaktorai) FBR: LMFBR tenyész-, ill. szaporító GCFR reaktorok Sóolvadékos reaktorok (homogén) Gyorsítóval hajtott szubkritikus rendszerek Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 11 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 12
3. ATOMERİMŐVEK ELVI FELÉPÍTÉSE AZ ATOMERİMŐVEK ÉS A KONVENCIONÁLIS ERİMŐVEK FELÉPÍTÉSÉNEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA (elvi felépítések) 4. ENERGETIKAI ATOMREAKTOROK PWR - nyomottvizes reaktorok Primer köri jellemzık (p, T) Szekunder köri jellemzık (p, telített gız) Üzemanyag dúsítása Erımő hatásfoka ( 32 34%) Biztonsága Gazdaságossága A konkrét felépítés alapvetıen az atomreaktor típusától függ Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 13 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 14 4. ENERGETIKAI ATOMREAKTOROK - 2 BWR elgızölögtetı reaktorok Főtıelemkötegek 4. ENERGETIKAI ATOMREAKTOROK - 3 HWR nehézvizes reaktorok Főtıelemkötegek Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 15 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 16
5. ATOMERİMŐVEK PWR-rel szerelt atomerımő (kétkörös) 5. ATOMERİMŐVEK - 2 BWR-rel szerelt atomerımő (egykörös) Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 17 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 18 5. ATOMERİMŐVEK - 3 5. ATOMERİMŐVEK - 4 HWR-rel szerelt atomerımő (kétkörös) Gyorsreaktorral szerelt atomerımő (háromkörös!) Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 19 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 20
5. ATOMERİMŐVEK - 5 6. A VVER-440-ES ATOMERİMŐ (PAKSI ATOMERİMŐ) A VILÁG ATOMERİMŐVEINEK TÍPUSONKÉNTI MEGOSZLÁSA Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 21 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 22 6. A VVER-440-ES ATOMERİMŐ (PAKSI ATOMERİMŐ) - 2 6. A VVER-440-ES ATOMERİMŐ (PAKSI ATOMERİMŐ) - 3 Fı jellemzıi: Háromszög rács Hatszöglető főtıelemköteg 349 főtıelemköteg Aktív zóna: H=250 cm, D=286 cm Üzemanyag: kis dúsítású UO 2 (3,6-3,9%) Szabályozó kazetták Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 23 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 24
Jégtörı hajók: Az elsı atomjégtörı a szovjet Lenin (1957-1989). Három, egyenként 90 MW termikus teljesítményő PWR hajtotta, 5% dúsítású urán-oxid üzemanyaggal. 7. EGZOTIKUS REAKTOROK 7. EGZOTIKUS REAKTOROK - 2 Tengeralattjárók: Az elsı atom-tengeralattjáró a Nautilus (1954-1983, PWR). PWR és LMBR (!) reaktorokkal készülnek Lenin (SZU) (1957-1989) Arktika (SZU) (1975- ) Nautilus SSN-571, az elsı atom-tengeralattjáró Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 25 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 26 Fıbb ellenırzı kérdések 1. Írja fel a tömeg és az energia ekvivalenciáját kifejezı összefüggést! 2. Mekkora az atommag és az atom átmérıjének nagyságrendje? 3. Mekkora az atommag és az atom térfogatarányának nagyságrendje? 4. Mekkora az atommag és az elektronhéj tömegarányának nagyságrendje? 5. Mik az izotópok? 6. Milyen nukleonokból épül fel az atommag? 7. Mi a tömegszám? 8. Mi a tömegdefektus? Írja fel a meghatározását megadó összefüggést! 9. Mi a kötési energia? Írja fel kapcsolatát a tömegdefektussal! 10.Mi a fajlagos kötési energia? Írja fel meghatározó összefüggését! 11.Mekkora az atommagra vonatkozó fajlagos kötési energia nagyságrendje? 12.Mekkora az elektronhéjba kötött elektron fajlagos kötési energiájának nagyságrendje? 13.Rajzolja fel a fajlagos kötési energia tömegszám-függését? 14.A magenergia-hasznosítás elvi lehetıségei az e k = f(a) diagram alapján. 15.Magfúziónként felszabaduló energia. 16.Maghasadásonként felszabaduló energia. 17.A magfúzió megvalósulásának feltétele! 18. Rajzolja fel a stabil izotópok N-Z görbéjét! 19. Mi a neutrontöbblet? 20. Mi a neutronfelesleg? 21. Mi a neutronhiány? 22. Mik a prompt neutronok? 23. Mik a késı neutronok? 24. Mik a hasadási termékek (hasadványok)? 25. Mik a primer és a szekunder hasadványok? 26. Rajzolja fel a hasadványok keletkezési gyakoriságát tömegszámuk függvényében! 27. Rajzolja fel a nukleáris láncreakció sémáját! 28. Mi a neutronciklus és a ciklusidı? 29. Mi a sokszorozási tényezı és a reaktivitás? 30. Mi a kritikusság, szuperkritikusság, szubkritikusság feltétele? 31. Írja fel az új hasadóképes izotópok elıállítási sémáját! 32. Mi a transzmutáció? 33. Az atomreaktor definíciója. 34. A reaktorok fajtái a hasadást kiváltó neutronok energiája alapján. 35. Mi az aktív zóna? 36. Mi a kritikus tömeg és a kritikus térfogat? 37. Milyen üzemanyagfajtákat ismer? 38. Milyen moderátor anyagokat ismer? 39. Ismertesse az atomreaktorokat rendeltetésük szerint. 40. Melyek a legfontosabb energetikai atomreaktor-típusok? 41. Milyen anyaghatásfok érhetı el termikus reaktorokban? 42. Rajzolja fel a hıerımő elvi felépítését. 43. Rajzolja fel az atomerımő elvi felépítését. 44. Mi a főtıelem és a főtıelemköteg? Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 27 Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 28
45. Hozzávetılegesen milyen részarányt képviselnek a PWR-es, a BWR-es és a gyorsreaktoros atomerımővek a világ atomerımő-kapacitásában? 46. Milyen reaktortípussal épült a paksi atomerımő? 47. Milyen egzotikus atomreaktorokat ismer? Dr. Csom Gyula, BME NTI 4/ 29