Magyar Tudmnyos Akadmia Izotpkutat Intzet Atomermtl a fzis

Magyar Tudmányos Akadémia Izotópkutató Intézet Atomerőműtől a fúziós erőműig. Veres Árpád Ph. D, DSc, ny. ig. , tudományos tanácsadó, MTA Izotópkutató Intézet 1525 Bp. Pf. 77 e-mail: veres@iki. kfki. hu

Az előadás vázlata Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet 1. Bevezetés (energiahordozók a világ teljes és a hazai villamos-energia felhasználásban). 2. Atommaghasadással működő erőművek. 2. 1. Kritikus üzemmódú, atomerőművek. 2. 2. Gyorsítóval hajtott szubkritikus üzemű atomerőművek, nukleáris hulladékelégetés. 3. Atommagok fúzióján alapuló erőművek. 3. 1. Mágneses plazmabezárás. 2. 2. Az inerciális plazmabezárás. 4. Összefoglalás. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

1. Bevezetés Primer energiahordozók a hazai villamosáram termelésben (%) A világ teljes primerenergia 2. 2 0. 5 6. 3 felhasználása (%) 2005 -ben 10 02. 2 Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet A különböző energiahordozók részvétele a hazai villamos és a világ teljes energia felhasználásában 24. 4 35. 3 Olaj 35 Olaj Szén Földgáz megújuló Vízi biomassza 20. 7 nukl vízi 0. 600000001 2. 3 35. 1 szén 24, 4 %; földgáz 35, 1 %; olaj 2, 2 %; megújuló 2, 3 %; vízi 0, 5 %; nukleáris 35, 3 %, (2020 -ra 60 %). OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 25. 3 olaj 35 %; szén 25, 3 %; földgáz 20, 7 %; biomassza 10 %; vízi 2, 2 % és egyéb 0, 5 %; nukleáris 6, 3 % (a villamos-áram arányában 15, 3 %); 2011. Február 3, Miskolc

A föld népesség és energiaigénye alakulása Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet Év Népesség (milliárd fő) Energiaigény (Gigatonna per év ) Megjegyzés, E-ekvivalens 2001 6 10 (olaj)* *1 Gt olaj ~ 125 erőmű (GW) 2011 7 12 (olaj)* Az energiaigény, becslés 2070 9** (csúcs) 15 (olaj)* **2100 -ra 8, 4 Mrd fő 2007, ENSZ 191 tagállam. 31 -ben 439 atomerőmű üzemelt. A termelt villamos áram: 2, 6× 1012 k. Wh; (371, 7 GW, benne Paks: 1, 86 GW), ami a világ villamos-áram termelésének a 15, 1 %-a (IAEA PRIS adatai). Német GBR (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe) becslés: Az energiahordozó ásványi-anyagok „statikus élettartama” (készletek/éves termelés) 2004. év végén: Kőolaj 43 év, földgáz 64 év, kőszén és lignit >200 év, urán > 40 év (az urán élettartama, a feldolgozásnál visszanyert értékkel növelhető). A lakossági félelmek, a környezetvédelemi aggályok (atombomba, Csernobil, nukleáris hulladék, ) a mai kritikus atomerőművek mellett új szubkritikus és fúziós atomerőművek kifejlesztésére serkentették a szakembereket. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Az U atommagok neutron-befogásos hasadását 1939 -ben (Hahn és Strassmann, német kutatók) fedezték fel Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet 2. Atommaghasadással működő atomerőművek 1942, december 2, az első önfenntartó láncreakció, Chicagói Egyetem atommáglya (Enrico Fermi, Szilárd Leó). 1946, aug. 6 és 9, atombomba. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 1954 június 27, első atomerőmű, (5 MW) látképe, Obnyinszk, SZU. Sugárzó anyagok felhasználása: 1946, USA; 1950, Sz. U; 1954, M. O. 2011. Február 3, Miskolc

235 U 137 Cs + 96 Rb +3 n (1 láncreakciótag) +n → 92 55 37 Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet A 90 -s és 150 -s tömegszámok körül sok más variáció fordulhat elő. 235 U 137 Cs 55 n 96 Rb 37 235 U OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet 2. 1. Kritikus üzemmódú atomerőművek Kritikus az állapot, ha az önfenntartó láncreakció külső n-forrás nélkül valósul meg. Ez egy igen szűk neutron-intenzitás tartomány. A n-intenzitás tartomány alsó határa alatt a reakció leáll, a felső határt meghaladva, pedig veszélyesen megszalad (Csernobil). Ezért a láncreakciónak egy kritikus intenzitás-tartományon belül tartását szabályozó rudakkal kell biztosítani. A nukleáris ipar alapproblémái: a biztonság, a nukleáris hulladékok, a proliferáció-állóság és költségek kérdése. 1. Generáció: 1954 -60 -s évek prototípus erőművei, 1954, Sz. U (5 MW); 1956, UK (50 MW, majd 200 MW); , 1957, USA (60 MW). Ezek ma már szinte nem üzemelnek. 2. Generáció: 1970 -80 -s évek erőmű típusai (200 -1000 MW). Ebbe a kategóriába tartozik mai atomerőművek többsége. 3. Generáció: Az 1980 -as évek után épült könnyű-, forró- és nyomott-vizes reaktorok (ABWR, EPR, APWR, AP 1000, AES-2006, ACR-1000 és a paksi VVER 400 -as). OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet 2. 1. Kritikus üzemmódú atomerőművek folytatás 4. Generáció: (GFR) gyorsreaktort nagyobb biztonságúnak tartják. A nukleáris üzemanyagláncot ezek a reaktorok bezárnák (a kiégett fűtőelemeket reprocesszáló üzemekben dolgoznák fel, a kivont uránból és plutóniumból újra fűtőelemeket gyártanának, így a hulladékprobléma, az üzemanyag-ellátás is megoldódna). A forró hőmérséklet hasznosítható lenne hidrogéntermelésre. Megjelenését 2040. év körülire becsülik. Az eddigi tapasztalatok, de a költségesség okán is nehezen hihető, hogy ezen rendszerek széles körben elérhetővé válnának. A 3. generációs erőművek jelene, meghosszításának, bővítésének és nukleáris hulladékénak a helyzete: OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet A paksi atomerőmű blokkok, reaktortest és zóna látképe. 1 reaktorban: 42 tonna urán, 360 kötegben. 1 köteg: 126 pálca. A 4 reaktor: 1860 MW, (13, 4 TWó, 37. 6 %). Egy g 235 U: 23 MWterm. köteg Reaktortest oldalnézet reaktorzóna Zóna felülnézet OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

A hazai atomerőmű bővítés helyzete Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet 2009, április 30, az országgyűlés (330 igen, 6 nem, 10 tartózkodás) hozzájárul új atomerőműi blokkok paksi építéséhez. A bővítésre javasolt négy blokktípus közül a VVER 91/90 (víz-vizes energetikai reaktor) és az EPR (Európai nyomott-vizes reaktor) mellett több szakmai előnyt találtak a szakértők. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

A bővítésre szánt blokkok paksi telephelyi elhelyezése, Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet (A. Cserháti, ETE konferencia, Siófok, 2009. június 3 -4). OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Radioaktív hulladék problémák Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet 2015 -ig várhatóan 260 000 t nukleáris hulladék keletkezik. Eloszlása: Transzurán (Tr. U) és hasadási (Ht) termékek. • ~ 70000 t. >500 t. Pu USA. • > (1/3) Oroszország, ill. régi SZU. • < (1/3) Európa, Távol kelet, stb. 1 tonna (33 MWd/kg kiégett) fűtőelem Tr. U és Ht tartalma: Tr. U T 1/2 (év) (g/t) 239 Pu 24 400 5450* 237 Np 2 100 000 450 243 Am 7 400 100 245 Cm 8 500 1, 2 * Össz. Pu : 9 700 Ht. T 1/2 (év) (g/t) 99 Tc 210 000 810 135 Cs 129 I 2 300 000 360 16 000 170 Ezeknek a hulladékoknak a biztonságos tárolására. átalakítására számos erőfeszítés történt, különös tekintettel a lakossági félelmekre is. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Chapter 10. 2, Á. Veres, Environmental problems. Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet Radiotracer Studies of interfaces, ELSEVIER, Amsterdam, 2004, ed. G. Horanyi. • A mélygeológiai hulladéktárolás nyomjelzés-technikai vizsgálatai. • Határfelületek közötti izotópcsere. Piro-kémiai elválasztás. • Nukleáris hulladékégetés spallációs magreakcióval 359444 old. A szubkritikus atomerőművek helyzete: OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

2. 2. Gyorsítóval hajtott szubkritikus atomerőmű, (spallációs magreakció, külső neutronforrás) DD Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet target atommag Ge. V p p proton n neutron p atommagon belüli kaszkádok Kaszkád képződm. , p, n, a, stb. atommagok közötti kaszkádok b hasadás, részecske emisszió p a erősen gerjesztett atommag OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram elpárolgás maradék mag 2011. Február 3, Miskolc

Gyorsító séma (spallációs neutronforrás) a szubkritikus üzemű atomerőművek hajtására. Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet Az 1 Ge. V, 100 m. A nyalábáramú protongyorsító blokkdiagramja Egy ilyen gyorsítóval hajtott, 2× 500 MWt-os erőműben, évenként 400 kg 39 Pu és 100 kg aktinoida (Tr. U) alakítható át (égethető el). OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Egy gyorsítóval hajtott szubkritikus atomerőmű japán koncepciója [Takizuka, JAERI-Conf. 99 -003, 150, 1999] Protonnyaláb Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet Szupravezető lineáris protongyorsító 1 Ge. V - 33 m. A CW 100 MWe Gőzgenerátor Hálózatra 230 MWe 820 MWt Nyalábablak gőzturbina Spallációs target Váltóáramú generátor Szekunder Na pumpa Primer Na pumpa Szubkritikus zóna Keff = 0, 95 OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet USA 70000 tonna kiégett fűtőelem elválasztása. Az alsókeretben az ATW égető (középkör) 1. 70000 t szétválasztása: 67000 tonna urán, 600 tonna Tr. U és 2400 tonna hasadási termék. 2. A 67000 t U feldolgozása új fűtőelemmé. Ez a tekintélyes mennyiség növeli az alap-anyag tartalékot. 3. 600 t Tr. U és 2400 t hasadási termék a szubkritikus erőmű fűtőeleme. Ez 300 tonnára, 1/10ére csökken. 4. ATW áramtermelése: 560 GW-év + 10 % APT gyorsító üzemeltetés. (Paksi termelés: 1, 6 GW-év ennek kb. a 350 -ed része). OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Az USA programja a 2100 -ig felgyülemlő kiégettfűtőelemek feldolgozására és hasznosítására. Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet Beller et al, Nucl. Instr. Meth. A 463, 468, (2001) 2036 -ig a kiégett fűtőelem mennyisége: 86317 tonnára nő, amelyben transzuránokon kívül 93 t 99 Tc és 20 t 129 I a hasadási termék. Az 560 GW-év 800 GWév lesz 2100 -ra. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Ahhoz, hogy két könnyű atommag egyesülhessen nagy sűrűségű és forró (DT fúzió küszöbenergia 77 MC°) plazmaállapotba kell hozni a gázkeveréket. Az atommagok halmazállapotai: Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet 3. Atommagok fúzióján alapuló erőművek Szilárd Folyékony Gáz Plazma* *Plazma-állapotban a részecskék mozgási energiája sokkal nagyobb az atomi kötésnél. Az ütközéseknél az atommagról leszakadnak az elektronok és atommagok gázkeveréket alkotnak. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

1. 2. Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet Fúziós-plazma bezárási modellek 3. Gravitációs bezárás – asztrofizikai környezet. Mágneses bezárás (Tokamak). A külső mágnes-tekercsek és plazmaáram belső mágneses tereinek eredője képezik az összetartó mágneses teret. Itt a külső mágnestér gátja miatt a kialakuló forró plazma részecskesűrűsége igen kicsi: 10121016 cm-3, és a lineáris mérete, pedig rendkívül nagy: 101000 cm. Inerciális bezárás (Lézer). Nincs mágnes-gát, semmi sem gátolja a forró plazma kialakulását. A bezárási idő és a részecske tehetetlenségi (inercia) ideje azonos, innen az elnevezés is. A részecskesűrűség igen nagy: 1025 -1027 cm-3 és a lineáris méret, pedig igen kicsi: 1 -100 μm. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Pozitív töltésű atommagok erősen akadályozzák a fúziót (Coulomb gát*). Ez a gát a D és T fúziónál 77 millió C° (küszöb-energia). Mágneses bezárásnál a plazma kialakulás és fennmaradás feltétele: az n részecskesűrűség és a t élettartam szorzata az nagyobb kell, hogy legyen a Lewson kritikus értéknél: n·t > 1014 s·cm-3 Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet A deutérium és a trícium fúziójának a szemléltető ábrája. * OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Mágneses, lézeres plazmaméretek és a fúzió Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet n A Tokamak alapvető részei: tórusz n Több szimmetrikus kisenergiás lézer alakú vákuumkamra, toroidális tekercs, transzformátor és további kiegészítő tekercsek. Nagy plazmaméret: 01 -10 m. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram lökéshullámai a 2 mm Ø gömb T+D keverék (20 K°) sűrűségét összenyomja (100 x-os) néhány mikronra. Egy erős lézer gyújt: Belövés → kompresszió → gyújtás → fúzió 2011. Február 3, Miskolc

Kapszula (hohlraum) és a DT gömb a gyújtáshoz. (UCRL- Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet 5200 -01 -11, December 30, 2001) Indirekt fúzió, kapszulafűtés több millió hőfokra, ion és nehézion nyalábbal. Probléma a kis hatásfok. Direkt fúzió: Fókuszált lézer gyújtja a reakciót. Gyors direkt fúzió: Az összenyomás kis E. -ás lézerekkel történik. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Indirekt gyújtás, Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet (a göböcske kapszulában) Nova lézer target-kamra Ø: 4, 5 m, 10 lézer nyaláb OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram NIF target-kamra Ø: 10 m, 192 lézer nyaláb 2011. Február 3, Miskolc

Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet Lézer (inerciális) és mágnes bezárásos reaktormodulok A KOYO-F lézerrel hajtott erőmű gyorsgyújtású reaktormodul keresztmetszeti nézete. 32 összenyomó lézernyaláb, egy gyújtólézer és két target belövő vezeték. A TD gömb (középen) 150×-s nagyítású. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram Tokamak fejlesztés 30 év ~10 Mrd Є. ITER 2005, világ legnagyobb mágneses fúziós berendezése (Cadarache Fr. O. ). 500 MW energiát állít elő 10 percig. 4. 7 Mrd Є kerül. 20 évi üzem ktg. ~ 5 Mrd $. 2011. Február 3, Miskolc

Japán KOYO-F gyors fúziós-erőmű látképe, főbb adatai, bal alsó sarokban a reaktor. Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet v OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram Erőmű net teljesítm. 4× 300 MW 32 léz. Öny. 1 köt. Gyújt. 1, 1 MJ 0, 1 MJ Fúzió E/imp 200 MJ Reaktor ism 4 Hz Lézer ism 16 Hz Burok E. × 1, 2 Wel/Wth hf. 41, 5 % Recirk. E 240 MW Gekko XII 2001 gyf. Japán. Brit kcs 2011. Február 3, Miskolc

Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet A 2007 -ben indult EU: Hi. PER gyorsfúziós berendezés látképe és alapadatai. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram UK. Rutherford Appleton Labor. • Konstrukciós fázis: 2011/12. • Kamra Ø: 10 m. • 40 db összenyomó lézer 200 k. J. • Gyújtó lézer 70 k. J. • Sűrűség igény: 300400 g/cm 3. 2011. Február 3, Miskolc

High Average Power Laser Program (HAPL) USA. Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet (8 labor, 4 egyetem, 6 vállalat) OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet A HAPL program folyamatának és fázisainak leírása Indult 2001 -ben, a kritikus részek (targetgyártás, belövés, optika és fúziós kamra) kutatás-fejlesztésével. • I. fázis. Komponensek egységekké fejlesztése (2006). • II. fázis. A működésképesség demonstrálása, erőmű üzemelési körülmények között (2006 -2012). • III. fázis. Folyamatos termonukleáris égést produkáló eszköz tesztje. 300 µm Ø, 1000 gcm-3 20 °K labdacs. Fúzió ~ 10 M°C. 2020. év. • Alapadatok: 1750 MW, 5 Hz; Kamra Ø: 11 m; a belső falvastagság: 3, 5 mm; Belépő folyékony lítium: 405 C°, a kilépő hőmérséklet: 575 C°. Az áramlási sebesség: külső 3, 7 m/s; belső: 0, 15 m/s. A wolframburkolat maximális hőmérséklete <2400 C° lehet. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet • A fúziós erőmű T és D üzemanyag igénye 1 GW teljesítményű erőmű által 1 év alatt termelt energia. E 1 = 109× 365× 86400 s = 3, 15× 1016 J Egy molekula) DT fúziójánál 17, 6 Me. V energia keletkezik, ami = 17, 6× 106× 1, 6× 10 -19 =2, 8× 10 -12 J. 1 mol (6× 1023 db). E 2 = 2, 8× 10 -12× 6× 1023 =1, 68× 1012 J. E 1/E 2 ≈ 2· 104 mol 40 kg D és 60 kg T. Az USA-ban 1955 -1996 között 226 kg tríciumot termeltek. Egy 600 MW erőmű primer hűtőköri lítiumból 16, 9 kg T/év termelhető (önköltségi ár: 4 500 000 $/kg). A 60 kg T ára: 270 millió dollár, ez 1 k. Wó áram költségében ~ 3 cent~ 6 Ft (Paks 11, 16 Ft/k. Wó). A deutérium vízben: 1/6000, korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre, költsége a tríciumhoz képest minimális. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

A fúzió másodlagos folyamatai 3 H(2 H, nγ)4 He reakció sémája (VÁ, Japán ea. , részlet, 1977) TD; 17, 6 Me. V Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet • G / Gn = • • 5, 6× 10 -5 Gn, 14, 1 Me. V G , 16, 7 Me. V • α 3, 5 Me. V -0, 9 Me. V 4 He 5 He • • • OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram Az 1000 MW energiát 3× 1020 fúzió/s állítja elő. A fúziót kísérő n és hozambecslések: Neutron: ~ 3× 1020 n/s. *: 3× 1020× 5, 6× 10 -5 ~ 1, 7× 1016 /s. A Li, C, stb. hűtőközeg (n, ), Ekin+Eköt >10 Me. V **: ~ 3× 1016 /s. Össz- : ~ 4, 7× 1016 /s. A 10 Me. V feletti -k a védőközegben ( , n)-el foto-neutront keltenek. Foto-neutron hozam: 1012 n/s. 2011. Február 3, Miskolc

4. Összefoglalás Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet 1. 2. 3. A kritikus üzemmódú 3. generációs atomerőmű-blokkok 20 -40 éves hazai meghosszabbítása várható. 4. generáció, zárt üzemanyaglánc (kiégett fűtőelem újra feldolgozása, a kivont U és Pu új fűtőelemként felhasználása). Sok a tisztázatlan kérdés. Úgy véljük, hogy érdemben nem tudják befolyásolni a nukleáris energetika jövőjének alakulását. A szubkritikus, gyorsítóval hajtott atomerőművek piaci elterjedése a 2050 -s évekre várható. Előnyei: Lekapcsolhatók, a veszélyes nukleáris hulladékok rövid életűekké átalakíthatók, (elégethetők). OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet 4. Összefoglalás folytatása 4. ITER (mágnes bezárás) fúziós berendezés. Elektromos energia termelésre nem alkalmas és tríciumból sem lesz önfenntartó. Tesztelhetnek vele: trícium-termelési eljárásokat, alfarészecske fűtőhatást plazmára, stb. 5. Lézerhajtású (inerciális) fúziós erőművek: KOYO-F, Hi. PER, HAPL, a tapasztalatok rendkívül biztatóak, erőműként megjelenése a 2030 -as évekre tehető. A jövő atomerőművének gondolom. OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc

Magyar Tudományos Akadémia Izotópkutató Intézet www. iki. kfki. hu Köszönöm a figyelmet! OMBKE BHSz, 2011. évi rendezvényprogram 2011. Február 3, Miskolc