ENERGIATERMELS S KRNYEZET BMEGEENAEK 7 S Atomermvek gzalak

ENERGIA(TERMELÉS) ÉS KÖRNYEZET BMEGEENAEK 7 ÉS Atomerőművek gázalakú radioaktív kibocsátásai BMEGEENAKM 1 - PWR normál üzem - Előadó: Dr. Kovács Viktória Barbara Előadást kidolgozta és a tárgy korábbi előadója: Dr. Gács Iván Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1|

ATOMOS ALAPOK Környezetmérnököknek: – Fizikai kémia és radiokémia (BMEVEFKAKM 1) • Tárgy adatlap • Letölthető anyagok Energetikusoknak: – Atomenergetikai alapismeretek (BMETE 80 BE 02) • Tárgy adatlap Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 2

ATOMERŐMŰVEK 90% https: //en. wikipedia. org/wiki/Nuclear_power_plant#/media/File: Pressurized. Water. Reactor. gif Építsünk atomerőművet: http: //nagysandor. eu/Asimov. Teka/Build_a_Reactor_PA/index. ht ml Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 3

A RADIOAKTÍV ANYAGOK KELETKEZÉSE ÉS ÚTJA D D H A hűtővíz A szerk. anyag bór O O A x 10 -2 -10 -3 Nem oldódó fémek n. T részáramú víztisztító levegő H - hasadás D - diffúzió A - felaktiválódás O – oxidáció (korrózió) n. T - magreakció P - párolgás Sz 1 - szervezett szivárgás Sz 2 – szervezetlen szivárgás A Ar 41 PRIMERKÖR hasadóanyag rés üz. a. Sz 1 gáztalanító víztisztító pótvíz Sz 2 gáztisztító zsompok P hermetikus helyiségek légtere gáztisztító recirkulációs hűtő, tisztító Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 4

A RADIOAKTÍV ANYAGMÉRLEG N – tetszőleges izotóp atomjainak valamely térrészben várható darabszáma R - izotóp belépési sebessége a vizsgált térrészbe λ - bomlási állandó σa - abszorpciós mikroszkopikus hatáskeresztmetszet Ф - vizsgált térrész átlagos neutron fluxusa β - kilépési állandó ’ – A=, Z-1 ” - Z=, A-1 (neutron szám) bent keletkezés: belépés anyaelem (β) bomlása anya elem (rendszám) minden jelentése: Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 5

A PRIMERKÖRI VÍZ AKTIVITÁSA PRIMERKÖR egyensúlyi aktivitás (állandósult állapot: pár h, d): részáramú víztisztító Sz 1 Sz 2 Gyakran használt a fajlagos aktivitás: a=f(hely), ha T 1/2 rövid M – primerköri hűtővíz tömege Aktív izotóp távozás sebessége: Teljes primer körre átlagos neutron fluxus Фa- Aktív zóna moderátor térfogatára átlagolt fluxus ta – aktív zónán belüli tartózkodási idő tp – primer körbe fordulási ideje msz – szivárgások mt – részáramú víztisztító vízforgalma ε - izotóp kivonási foka a víztisztítóban tt - tartózkodódási idő a víztisztítóban Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 6

A HŰTŐVÍZ SAJÁT AKTIVITÁSA hűtővíz A O, H, oldott a. PRIMERKÖR Rövid T 1/2 izotópok, - gyors egyensúly - erős helyfüggés Sz 1 Sz 2 amax az aktív zónából kilépésnél: n –aktiválódó izotóp magsűrűsége a hűtővízben részáramú víztisztító Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 7

A PRIMERKÖRI HŰTŐVÍZ LEGVALÓSZÍNŰBB 10 m ≈ urán atommag geometriai keresztmetszetével egyezik MAGREAKCIÓI meg 2 kikerülhet − 28 f=(víztisztítás) nagyon tiszta víz = 1 Na/107 H 2 O Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 8

A HASADÁSI TERMÉKEKBŐL SZÁRMAZÓ AKTIVITÁS A ≈ 95 hasadóanyag H üz. a. D rés D PRIMERKÖR U 235 -re dúsított UO 2 A ≈ 137 Kr Xe A ≈ 118 Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 9

A HASADÁSI TERMÉKEKBŐL SZÁRMAZÓ AKTIVITÁS Kikerülési folyamatok: 1. Burkolat felületi urán szennyezettség hasadása (csekély x 10 -8) 2. Hasadás az üzemanyagelemben és diffúzió a résbe 3. Felületi rétegből közvetlen kilépés a résbe 4. Repedések növelik a felületet 5. Diffúzió a mikro-repedéseken keresztül Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 10

A HASADÁSI TERMÉKEKBŐL SZÁRMAZÓ Üzemanyagon AKTIVITÁSbelül: Belépés a térrészbe: R=0 Keletkezés: magerakció, anyaelem radioaktív bomlása: yk – kumulatív hasadási hozam Pt – reaktor hőteljesítménye c – 1 k. J energiához szükséges hasadások száma (~3. 12 x 1013) Fogyás: magreakciók miatti elhanyagolható (kiv. Xe 135: σ = x 106 barn) Kilépés: βü: – – hasadás az üzemanyagelemben és diffúzió a résbe (μ= 10 -9 -10 -8 s-1) felületi rétegből közvetlen kilépés a résbe Résben: Belépés: Rr= βü * Nü Kilépés - primer körbe kerülés: βr=f(t) Primer körben: hibás burkolaton át a hűtővízbe lép: burkolat szennyezettségéből: F – fűtőelemek összes felülete (m 2) b – külső felület urán szennyezettsége (g/m 2) Mü – reaktor teljes urán töltete (g) 1 - gáztömörtelen 2 - felhasad μ – diffúziós állandó N – atomok száma a résben Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 11

HŰTŐVÍZ TRÍCIUM AKTIVITÁSA deutérium felaktiválódása D(n, γ)T, Þ saját aktivitás hármas hasadás, Þ 2 középnehéz hasadási termék mellett, ESÉLYEK: U 235 - 0, 013%, Pu 239 - 0, 023% (20 MBq/s – 1000 MWe) bór reakciói (1 -2 MBq/s – 1000 MWe) Þ B 10(n, )Li 7(n, n )T : 2500 b, <0. 1 b Szabályozó neutron elnyelő termikus neutronra Þ csak gyors neutronra B 10(n, 2 )T : <0. 1 b hasadóanyag hűtővíz H üz. a. D A Fogyás: radioaktív bomlás, szivárgás (Tg !) neutronbefogás elhanyagolható bór rés D PRIMERKÖR n. T Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 12

SZERVEZETT SZIVÁRGÁSOK RENDSZERE +B szabályozás gáztalanító +V kompenzátor Gáztalanítóból távozó keverék: PRIMERKÖR tömszelence Sz 1 gáztalanító víztisztító ioncsere pótvíz +N 2 gáztisztító • főleg vízgőz • oxigén és hidrogén (radiolízis) • nemesgáz hasadási termékek (Xe >> Kr) Gáztisztító feladata: • radioaktív gázok visszatartása ehhez előbb el kell távolítani a • vízgőzt • oxigént és hidrogént Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 13

szervezett szivárgások gáztalanítójától bóros szabályozástól, térfogatkompenzátortól (időszakos) hűtő és párakondenzátor (T↓, H 2 O ↓) Nemesgázok időegység alatti Szellőzőrendszerbe kerülése: nitrogén fűtőtartály (T↑) hidrogén égető (kat. H 2+O 2→ H 2 O) hűtő és párakondenzátor (Qr, el - T↓, H 2 O ↓) aeroszol szűrő A GÁZTISZTÍTÓ RENDSZER FELÉPÍTÉSE kéménybe aeroszol szűrő (radioaktív izotóp bomlásból keletkezett nemesgáz ↓ 10 -2 -10 -3) aktív szén adszorber (nagy τ → radioaktív izotóp lebomlik τKr – 10 -80 h Paks: >0, 5 d τXe – 20 -50 d >1 m) zeolit szűrő (adszorber)(ΣH 2 O ↓) (Rb↓, Cs↓ - 10 -2 -10 -3) Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 14

JELLEMZŐ IZOTÓPOK ÉS FELEZÉSI IDEJÜK VS. GÁZTISZTÍTÓ RENDSZER VISSZATARTÁSI IDEJE Kr 83 m 1, 86 óra Xe 131 m 11, 8 nap Kr 85 10, 76 év Xe 133 5, 27 nap Kr 85 m Kr 87 Kr 88 Kr 89 Kr 90 4, 4 óra 1, 27 óra 2, 77 óra 3, 2 perc 0, 55 perc Xe 133 m Xe 135 Xe 138 2, 26 nap 9, 13 óra 17 perc Visszatartási idők: kriptonra: 10… 80 óra xenonra: 20… 50 nap Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 15

KIJUTÁS A SZERVEZETLEN SZIVÁRGÁSOKKAL Szervezetlen szivárgással a primer körből kilépő aktivitás: V PRIMERKÖR hermetikus helyiségrdsz és szellőző rdszei Vr szűrők Vsz hűtő Sz 2 zsompok szűrők P levegő A hermetikus helyiségek légtere gáztisztító recirkulációs hűtő, tisztító Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 16

AKTIVITÁS A HERMETIKUS TÉRBEN Nh – herm. rdszben lévő aktív atomok p – vizsgált izotóp légtérbe kerülési aránya (nemesgáz=1) V – herm. rdsz. térfotga εr – rec. rdsz. szűrő leválasztási fok Vsz – rec. szell. rdsz. térfogatárama Vr – szívó szell. redsz. térf. árama V Vr szűrő k hűtő + levegő aktiválódása: Ar 41 >> egyéb nemesgáz O 2, N 2, CO 2 nem aktiválódik (jód szűrők 10 -2 -10 -3↓) Vsz szűrők kibocsátás a szellőzőkéményen: (ΔA: szűrés, rad. lebomlás) εsz – szívó szellőző rdsz szűrő leválasztási fok (nemesgáz =0) tgt – tart. idő szervezett sziv. gáztisztítóban tsz – tart. idő szívó szellőző rdszben Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 17

PWR KIBOCSÁTÁSÁNAK TIPIKUS ÖSSZETÉTELE, ‰ izotóp trícium jód aeroszol ebből Sr 90 nemesgáz ebből Xe 133 Xe 135 Kr 88 Kr 85 m részarány 0, 1… 5 0, 01… 0, 1 átlag 2, 9 0, 05 0, 000001 995… 999, 9 997 700… 950 910 10… 100 30 7… 30 20 1… 200 10 1… 20 10 Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 18

RADIOAKTÍV ÁTALAKULÁS A KIBOCSÁTÁS UTÁN Vizsgált izotóp és anyaelemének valóságos forrás intenzitása ~ talajszintre kerülés ideje Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 19

LAKOSSÁGI ÖSSZDÓZIS 3… 6 m. SV/ÉV occupational (foglalkozási) 0, 7 m. Sv/év (limit: 2, 8 m. Sv/év) természetes atomerőmű közeli lakó 0, 02 m. Sv/év consumer: repülés, cigaretta, egyéb termékek röntgen: 0, 1… 1, 5 m. Sv mammográfia: 3… 4 m. Sv CT: kb. 10 m. Sv célzott besugárzás: 1000… 3000 m. Sv USA orvosi egész test dózis szerv dózis Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 20

SUGÁRDÓZIS ÉS HATÁSA 0, 05 -0, 2 Sv: Nincsenek tünetek. A rák és a genetikai rendellenességek esélye megnőhet, de nem bizonyított. A természetes háttérsugárzás is szerepet játszik benne. 0, 2– 0, 5 Sv: Nincs megemlíthető tünet. A fehérvérsejtszám időlegesen lecsökkenhet. 0, 5– 1 Sv: Fejfájás, rosszullét előfordulhat, a legyengült immunrendszer miatt fertőzésre is megvan az esély. Ideiglenes sterilitás fordulhat elő férfiaknál. 1– 2 Sv: Kismértékű sugárbetegség, a halálozás esélye 10% 30 napon belül. Hányinger, gyakori hányás, ami legalább egy napig tart. Ezután 1 -2 hét nyugalmi időszak következik, majd általános gyengeség és levertségérzet jelentkezik. A legyengült immunrendszer miatt megnő a fertőzésekre való esély. Férfiaknál ideiglenes sterilitás lehetséges, nőknél spontán vetélés vagy koraszülés. 2– 3 Sv: Közepes dózis, 35%-os halálozással 30 napon belül. Hányinger és hányás általános, mely 1 -2 napig tart. A nyugalmi időszakot követően hajhullás, gyengeségérzet jelentkezik. A fehérvérsejtszám drasztikusan csökken. Nőknél végleges meddőséget okozhat. A regenerálódás hónapokig tarthat. 3– 4 Sv: Súlyos dózis, 50%-os halálozási arány. Vérzés jelentkezhet a szájban, a bőr alatt, illetve a vesékben. 4– 6 Sv: Akut dózis, 60%-os halálozási aránnyal. A tünetek 2 órán belül megjelennek, melyek ugyanazok, mint előbb, csak markánsabbak. A felépülés akár egy egész évig is eltarthat. A halál oka jellemzően belső vérzés vagy fertőzés. 6– 10 Sv: Igen súlyos dózis, közel 100%-os halálozás 2 héten belül. Az azonnali orvosi ellátás feltétlenül szükséges. A fehérvérsejtek pusztulása miatt vérátömlesztésre kell sort keríteni. A belső szervek súlyosan károsodhatnak. A tünetek már 15 percen belül megjelenhetnek, a halál oka fertőzés vagy belső vérzés. Ha valaki túléli, felépülése soha nem lesz teljes. 10– 50 Sv: A halálozási arány 100%, 7 napon belül. A tünetek azonnal jelentkeznek: gyengeségérzet és intenzív hányás. A sugárterhelést szenvedett személy úgynevezett „járkáló szellem” állapotba kerül: diszorientáció, zavarodottság jellemzi. Remegés, vérzések és kiszáradás a jellemző tünetek. A halál előtt delírium, majd kóma jellemzi a teljes leépülést. Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 21

FELADAT Egy atomerőmű technológiai gáztisztító rendszerébe 180 MBq/s aktivitású gázáram lép, amely 4 izotópot tartalmaz. Ezek fajtája, részaránya és felezési ideje a következő: izotóp Kr-85 Kr-88 Xe-133 Xe-135 Részarány, x 0, 70% 47, 0% 26, 8% 25, 5% felezési idő, T 1/2 10, 5 év 2, 77 óra 5, 27 nap 9, 13 óra Az aktívszén adszorber visszatartási ideje (tartózkodási idő, τ) adott méret (1) esetén kriptonra 36 óra, xenonra 28 nap. Határozzuk meg a kibocsátott aktivitást és annak izotóp-összetételét! Kr-85 Kr-88 Xe-133 Xe-135 összesen Belépő Tartózkodási aktivitás, Ab, i idő, τ MBq/s s 1, 26 129600 84, 6 129600 48, 24 2419200 45, 9 2419200 180 Ab, i= Ab*x felezési Idő, T 1/2 h 91980 2, 77 126, 48 9, 13 bomlási állandó, λ s-1 2, 093 E-09 6, 949 E-05 1, 522 E-06 2, 108 E-05 Bomlási tényező, e 0, 9997 0, 0001 0, 0252 0, 0000 - λ τ Kilépő aktivitás, Ak megoszlása MBq/s % 1, 260 50, 7% 0, 01037 0, 4% 1, 214 48, 9% 0, 000 0, 0% 2, 484 Ak, i= Ab, i *e- λ τ Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 22

AKTÍV SZÉN ADSZORBER MÉRETFÜGGÉS méret: 0 0, 2 0, 4 0, 6 0, 8 1 1, 2 VIZSGÁLAT T, Kr [h] 0 7, 2 14, 4 21, 6 28, 8 36 43, 2 T, Xe [d] 0 11, 2 16, 8 22, 4 28 33, 6 1, 4 50, 4 39, 2 1, 260 2, 306 11, 061 0, 000 14, 63 1, 260 0, 381 5, 296 0, 000 6, 94 1, 260 0, 063 2, 536 0, 000 3, 86 1, 260 0, 002 0, 581 0, 000 1, 84 1, 260 0, 000 0, 278 0, 000 1, 54 1, 259 0, 000 0, 133 0, 000 1, 39 8, 6% 15, 8% 75, 6% 0, 0% 100% 18, 2% 5, 5% 76, 4% 0, 0% 100% 32, 6% 1, 6% 65, 7% 0, 0% 100% 1, 260 0, 010 1, 214 0, 000 2, 48 50, 7% 0, 4% 48, 9% 0, 0% 100% 68, 4% 0, 1% 31, 6% 0, 0% 100% 81, 9% 0, 0% 18, 1% 0, 0% 100% 90, 4% 0, 0% 9, 6% 0, 0% 100% 5, 6 Kilépő aktivitás MBq/s Kr-85 1, 260 Kr-88 84, 600 13, 966 Xe-133 48, 240 23, 099 Xe-135 45, 900 0, 002 összesen: 180, 00 38, 33 Kilépő aktivitás megoszlása, % Kr-85 0, 7% 3, 3% Kr-88 47, 0% 36, 4% Xe-133 26, 8% 60, 3% Xe-135 25, 5% 0, 0% 100% 1, 6 57, 6 44, 8 100% 200 90% Kr-85 Kr-88 Xe-133 Xe-135 150 80% 70% 60% 50% 100 40% 30% 50 Kr-85 20% 10% 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 Dr. Kovács Viktória Barbara|Atom| © 2019 Energia(termelés) és környezet|D 224 | 2019 -20 -1| 23