A nukleris energiatermels j lehetsgei Radnti Katalin rad

A nukleáris energiatermelés új lehetőségei Radnóti Katalin rad 8012@helka. iif. hu ELTE TTK Fizikai Intézet Honlap: http: //members. iif. hu/rad 8012/

Miről lesz szó? Atomerőművek típusai Generációk Nyomottvizes reaktorok Paks 1 összehasonlítása Paks 2 Fűtőelemek Reaktorok biztonsága IV. Generációs reaktorok Tórium

Főbb reaktortípusok Termikus – gyors reaktorok (tenyésztő, Pu) Termikus v Vizes, könnyűvíz 12 -15 MPa nyomáson (Paks), kb. 65% v Nehézvizes (CANDU: Canada, Deutérium, Urán), Kanada, India, Románia 5% v Forralóvizes (Japán, Németország), kb. 100 darab, 22% v Grafit moderátoros, vízhűtéses, csatorna típusú, Volt Szovjetunió utódállamaiban Plutónium előállítására is alkalmas (Csernobil és CANDU)…

Nyomott vizes reaktorok (Paks) 3 vízkör 42 tonna urán 37 db szabályzórúd P=500 MW h = 3 m d = 2, 5 m

Forralóvizes reaktor boiling water reactor (BWR) 1. Reaktortartály 2. Fűtőelem 3. Szabályozórúd 4. Keringető szivattyú 5. Szabályozórúd hajtás 6. Friss gőz 7. Tápvíz 8. Gőzturbina nagynyomású ház 9. Gőzturbina kisnyomású ház 10. Generátor 11. Gerjesztőgép 12. Kondenzátor 13. Hűtővíz 14. Tápvíz előmelegítő 15. Tápvízszivattyú 16. Hűtővízszivattyú 17. Betonsugárvédelem

Grafit moderátoros reaktor (Csernobil, plutónium előállítás lehetősége) 1 vízkör 190 tonna Urán 1850 tonna grafit 200 db szabályzórúd P=1000 MW h = 11, 8 m d = 7 m

Példa A paksi atomerőműben 4 reaktor működik. Reaktoronként a hőteljesítmény 1485 MW, villamos teljesítmény pedig 500 MW. a) Becsüljük meg 1 reaktor üzemanyagtöltetét, ha tudjuk, hogy az üzemanyag kb. 4, 2 % -ban tartalmaz jól hasadó 235 U izotópot, és az izotóp koncentrációja (az egész töltetre nézve) évente átlagosan 1, 14 %-kal csökken! Tegyük fel, hogy a felszabaduló energia nagyrészt az 235 U maghasadásából ered, ahol egy - egy hasadás alkalmával 32 p. J energia szabadul fel. (Egy évben átlagosan 330 napot üzemel egy-egy reaktor) Mekkora a tömege és a térfogata? b) Mekkora lenne a paksi erőművel azonos hőteljesítményű hőerőmű évi üzemanyag szükséglete, ha az 24, 5 MJ/kg fűtőértékű szenet használna? Mekkora lenne a tömege és a térfogata? c) Becsüljük meg a szénerőmű által évenként kibocsátott gáz térfogatát normál állapotban! Milyen vastagon borítaná be ez a szén-dioxid gáz Magyarország területét, amely 93 033 km 2 ?

Megoldás a ) Határozzuk meg egy reaktor aktív zónájában naponként elhasadt uránmagok számát! A naponként elhasadt urán össztömege: Évi 330 üzemnappal számolva, az 235 U elhasadt tömege évente: 517 kg. Az ehhez szükséges teljes üzemanyagtöltet tömege tonna. 45, 35 4 blokkra: 181, 4 tonna. Térfogata: az urán sűrűsége meglehetősen nagy 19, 1 g/cm 3 , vagy 19100 kg/m 3 , vagy 19, 1 tonna/m 3. V = m/ρ 2, 375 m 3 egy reaktor esetében. A 4 blokkra 9, 5 m 3. Összehasonlításképp számoljuk ki egy kicsi szoba térfogatát. Magassága legyen 3 m, és 4 x 4 m-es. V = 4 x 3 = 48 m 3 , melyben 5 évre elegendő töltet halmozható fel. A Paksi Atomerőműben 2 évre elegendő üzemanyagot tárolnak. Az üzemanyag szállítási térfogata, és a kiégett, nagy aktivitású fűtőanyag térfogata is ennyi.

b ) A szükséges szén tömege 4 reaktorblokkra számolva: 6, 9. 106 t. Térfogata: a szén sűrűsége 1 – 0, 85 tonna/m 3 , tehát térfogata 6, 9 millió m 3 lenne. Gondolatban terítsük szét egy focipályára. A pálya mérete legyen 100 m x 50 m = 5000 m 2. 6900000/5000 = 1380 m = 1, 38 km magas lenne. Magasabb, mint a Kékes! Például a Mátrai Erőmű átlagos éves lignitfelhasználása 8, 5 millió tonna 700 MW-os teljesítmény eléréséhez. (A lignit fűtőértéke lényegesen kisebb, átlagosan 7300 k. J/kg, mint amivel a becslés során számoltunk. )

c ) Ha feltesszük, hogy a teljes szénmennyiség tökéletesen elég, akkor a szénatomokból szén-dioxid molekulák lesznek, ezek száma megegyezik a szénatomok számával. Ekkor a keletkező gáz anyagmennyisége: Normál állapotban a szén-dioxid gáz térfogata: Az ország teljes területét befedő normál állapotú gázréteg vastagsága pedig: 1, 29. 1010 m 3/9, 3033. 1010 m 2 13, 8 cm lenne.

1 – 4. generációs atomerőművek, biztonsági szempontok 1. Az ötvenes és hatvanas években, illetve a hetvenes évek elején helyeztek üzembe. 2. A ma üzemelő erőművek döntő többségét. Itt már a tervezés során is szigorúbb biztonsági elveket alkalmaztak, például mindegyiket ellátták olyan nyomásálló burkolattal (konténmenttel), amely baleseti helyzetekben megakadályozza a radioaktív anyagok környezetbe jutását. 3. Tökéletesebbek a második generáció erőműveinél, mind gazdaságossági (hatásfok), mind biztonsági (fejlett biztonsági kultúra alapján tervezték) tekintetben, de lényegileg (típusok, üzemanyagciklusuk) nem különböznek azoktól. Zónaolvadás valószínűséges kisebb, mint 10 -6 /év 4. Nagyobb termodinamikai hatásfok elérésére és a kapcsolt energiatermelésre is alkalmassá teszik a reaktorokat. A kapcsolt műveletek alatt általában hidrogéntermelést, metanol gyártást értünk, melyekből viszonylag egyszerűen energia szabadítható fel. Ez azért fontos, mivel az egyszer már megtermelt energia, nem tárolható, azonban a hidrogént vagy a metanolt el tudjuk raktározni, és akkor tudjuk felhasználni, amikor a további energiatermelésre igény van.

ROSZATOM (Moszkva, Szentpétervár, Nyizsnyij Novgorod)

AES 2006 legfontosabb elemei, 60 év

1 Vasbeton védőépület

2 Reaktorblokk (primer kör)

Reaktor, főbb elemei

Fűtőelem kazetta a most működő reaktorban

4 Fűtőelem kazetta

E 110

Reaktorméreg Xenon folyamatosan keletkezik a maghasadás során! A Xe-135 nagyon jó neutronelnyelő, ezért nevezik reaktorméregnek. Oka: a neutronok száma 81, majdnem mágikus (82). - A neutronelnyelés során keletkező Xe-136 gyakorlatilag stabil (a természetes előfordulás 8, 9%-a). A Xe-135 T = 9, 1 óra felezési idővel Cs-135 -re bomlik. ********************************** - Gadolínium: kiégőméreg, a túl nagy reaktivitás lekötése a kezdeti időszakban. Így hosszabb lehet a kampányidőszak.

5 Gőzfejlesztő, 6 Aktív biztonsági rendszerek (elektromos)

Természetes cirkuláció a környezet felé

Teljesítménykövető üzemmód!!

További fejlesztések

Mikor tekinthető egy atomerőmű biztonságosnak? 1. ) A láncreakció minden körülmények között leállítható. 2. ) A leállított reaktor folyamatos hűtése biztosítható. 3. ) Radioaktív anyagok nem kerülni ki a környezetbe.

Tervezési alapon túli balesetek kezelése

Hidrogén rekombinátorok

Külső események elleni védettség NUKLEON 152 -es cikk http: //nuklearis. hu/

Miért van szükség új, 4. generációs reaktorokra? Üzemanyagciklus zárása, reprocesszált hulladék hasznosítása, hatékonyság növelése. Magasabb termo-elektromos átalakítási hatásfok vagy kapcsolt energiatermelés. Passzív biztonsági berendezések és automatizálás, kevesebb emberi hiba. Moduláris építkezés, gyorsabb, olcsóbb. Az 235 U olyan ritka, mint a palládium. A 238 U és 232 Th készlet kiaknázásához tenyésztőreaktor szükséges.

A tórium • A tórium a 90 -es rendszámú elem, az 5 f mező első eleme • 1828 -ban fedezte fel Jöns Jacob Berzelius és a skandináv mitológiában a villámok istenéről, Thor-ról nevezte el • A természetben egy stabil izotópja fordul elő, a 232 Th • bomló, felezési ideje 14 milliárd év, mely nagyjából az Univerzum feltételezett kora, így bomlási sora még tart • Egyike azon elemeknek, mely a Föld magját fűti • A földkéregben gyakorisága az óloméhoz hasonló, átlagosan 6 -10 ppm, vagyis mintegy három-négyszer olyan gyakori, mint az urán (átlagosan 2 -3 ppm) (CHx 3, 9 ppm) • Leggyakrabban ritkaföldfémekkel együtt fordul elő monazit ásványokban, az uránbányászat mellékterméke, jelenleg gyakorlatilag értéktelen, sőt…

További nemzetközi fejlesztések

A tórium, mint üzemanyag

ALLEGRO projekt Héliumhűtéses gyorsreaktor, francia – magyar- cseh –szlovák fejlesztés

Felhasznált és ajánlott irodalom Hózer Zoltán, Pázmándi Tamás (2014): Új blokkok a paksi atomerőműben. Nukleon. VII. évfolyam 1. szám 152 -es cikk http: //nuklearis. hu/sites/default/files/nukleon/Nukleon_7_1_152_Hozer. pdf Király Márton – Radnóti Katalin (2012): Az energiáról és az energiatermelésről I-IIIII. rész. A Fizika Tanítása. MOZAIK Oktatási Stúdió. Szeged. XX. Évfolyam 2. szám 8 -18. oldalak, 3. szám 3 -12. oldalak és 4. szám 3 -14. oldalak. http: //www. mozaik. info. hu/Homepage/Mozaportal/MPfolyoirat. php? op=fizika Király Márton (2012): Egy részben elfelejtett technológia nyomában. Nukleon. V. évfolyam 3. szám 114 -es cikk http: //nuklearis. hu/sites/default/files/nukleon/Nukleon_5_3_114_Kiraly. pdf Keresztúri András és mtrsai (2014): Negyedik generációs reaktorok. Fizikai Szemle. LXIV. Évfolyam 4. szám http: //wwwold. kfki. hu/fszemle/archivum/fsz 1404/Kereszturi_A_Pataki. I_Tota. A. pdf Király Márton – Radnóti Katalin (2016): Az atomerőművek működéséről egyszerűen, típusaik és jövőjük – 1. rész. Fizikai Szemle. LXVI. évfolyam. 2016/10. szám. 331 – 336. oldalak – 2. rész 2016/11. szám. 372 -378. oldalak – 3. rész 2016/12. szám 403408. oldalak http: //fizikaiszemle. hu/archivum/fsz 1610/Fiz. Szem-201610. pdf http: //fizikaiszemle. hu/archivum/fsz 1611/Fiz. Szem-201611. pdf http: //fizikaiszemle. hu/archivum/fsz 1612/Fiz. Szem-201612. pdf