Soti Gergely - Atomerőművek _tanulmány, 2002, 24 oldal_

5/8/2018 Soti Gergely - Atomerőművek _tanulmány, 2002, 24 oldal_ - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/soti-gergely-atomeromuvek-tanulmany-2002-24-oldal 1/21

BEVEZETŐ Eisenhower elnök 1953-ban mondta el az Atomok a békéért című, azóta híressé vált

beszédét, amelyben kijelentette, hogy “semmilyen merész elképzelés sem tűnik lehetlennek”. Anukleáris technológiában ez volt az eufória korszaka. Töretlennek hitték a fejlődés lendületét, ésebben a fejlődésben jelentős szerepet szántak az atomenergiának. Ez a kezdeti lelkesedés

mostanra nagyon alábbhagyott. Az atomenergiát egyre többen ellenzik, nem építenek újerőműveket, világszerte atomenergia-ellenes megmozdulások vannak.

Milyen hátrányai vannak az atomenergiának, amelyek hatására ez a helyzet kialakult? Ittegy pár okot lehetne fölsorolni:

• Az emberek félelme a nukleáris katasztrófától. Itt elsősorban Kelet– és Közép–Kelet–Európa államaiban üzemelő atomerőművekre gondolunk.

• A radioaktív hulladékok tárolása.• Sokak szemében az atomreaktorok, de f őleg a tenyésztőreaktorok egyet jelentenek az

atomfegyverkezéssel. Tenyésztés nélkül viszont a klasszikus reaktor nem megoldás,mivel az U-235 korlátozott mennyiségben áll rendelkezésünkre.

Mindezek mellett az atomenergia nagyon fontos. A világon jelenleg

1

430 energiát termelő reaktor üzemel 363343 MW összkapacitással. Ezek adják a világ energiatermelésének 16%-át.Sok európai ország áramszükségletének több, mint felét atomerőművekkel fedezi.Franciaországban például 57 reaktor üzemel, kb. 60 GW összteljesítménnyel, ami az egészenergiatermelésnek a 76%-a.

1975 és 1995 között az energiafogyasztás évi növekedése 40% volt, és egyes becslésekszerint ez a szám még növekedni fog. Optimista megfigyelők szerint a növekedés a HarmadikVilág kiegyenlítődéséhez vezet, viszont egyik megfigyelőnek sincs megoldása ezen energiaelőteremtésének módjára. Az energiahordozók három nagy csoportja (fosszilis tüzelőanyagok,atomenergia és regeneratív energiaforrások) közül hosszú távon egyenlőre csak az atomenergiaéletképes.

A megoldást a regeneratív energiaforrásokban keressük. A Földet érő napsugárzás és aFöld belső energiatermelése egyensúlyt tart a kisugárzással. Az emberi tevékenységhezfelhasznált energia is végül hővé alakul és így kisugárzódik. Az optimális energiatermelést teháta napenergia teljes hasznosítása nyújtaná, mert ez nem módosítaná a globális energiamérleget.

Az ilyen típusú erőmű – telepek hátránya a kis teljesítmény, rövid élettartam és a magasáramtermelési költség. Sikeres alkalmazásukhoz át kell alakítani (decentralizálni) az áramelosztórendszert. Németországban például a szél-áram 5-ször drágább a “klasszikus” módon termeltáramtól. Ezért a kormány különféle kedvezményekkel támogatja az ilyen kezdeményezéseket.Reméljük, hogy az intenzív kutatások által idővel jobb és jobb megoldások fogunk találni aregeneratív energiaforrások kihasználására.

A fentiek összegzéseképpen azt gondolom, hogy az atomenergiának ilyen formában nincs

jövő je, ám teljesen eldobni sem lehet. A megoldást az innovatív erőművektől (természetesen hamegoldjuk a hulladékok tárolását), a fúziós reaktoroktól, és a regeneratív energiaforrásoktólvárjuk. Az ember addig a nukleáris energiára van utalva, ezért igyekeznünk kell minél jobbanmegérteni és átlátni a helyzetet, hogy beláthassuk hátrányait, és hogy ezek alapján továbbtudjunk lépni.

1 Az adatok 2000-ből vannak



A RADIOAKTIVITÁS

Az atommagot az erős kölcsönhatás tartja össze, amely nagyon rövid hatósugarú (10-15m).Az erős kölcsönhatás erősebb az azonos töltésű protonok között ható gyenge elektromostaszítóerőktől. Az atommag kötési energiája egyenlő azzal az energiával, amely szükséges

ahhoz, hogy azt nyugalmi helyzetű szabad nukleonokra bontsuk. Mivel az atommag kötésienergiája függ a tömegszámától (A), ezért általában nukeononkénti kötési energiáról (B)beszélünk. Azok az atomok a legstabilabbak, amelyekben az egyes nukleonra eső kötési energiaa legnagyobb.

A nagyobb (A>200 és Z>82) atommagoknál jelentkezik a radioaktivitás, vagyis azatommag spontán bomlása. Eközben radioaktív sugárzást észlelünk, ami háromféle lehet: α-, β-,vagy γ -sugárzás. Az α-bomlás során az atommag egy α-részecskét bocsájt ki, ami 2 protonból és2 neutronból áll (valójában He atommag). A β-bomláskor az atommag elektront (ez esetben egyneutron bomlik egy protonra, elektronra és antineutrínóra) vagy pozitront (itt egy proton bomlik

egy neutronra, pozitronra és neutrínóra) bocsájt ki. A β-bomlás során a nukleonok száma nemváltozik, viszont az atommag töltése eggyel nő vagy csökken. A bomlás után az atom gerjesztettállapotba kerül, és egy γ -kvantum (nagyenergiájú foton) kibocsájtásával ugrik vissza azalapállapotba, amit γ -sugárzásnak nevezünk. Ez nem önálló formája a radioaktivitásnak, hanemα-, illtetve a β-bomlást kíséri. A legnagyobb elemek hasadásakor neutronsugárzast is észlelünk.Az esetek nagy részében a keletkező elemek sem stabilak, hanem tovább bomlanak. Így egészbomlási sorok alakulnak ki, amelyek végén stabil elemek vannak.

A sugárzás intenzitása az atommagok számától függ. Mivel nem tudhatjuk pontosan, hogymikor bomlik el egy radioaktiv atom, ezért felezési időről beszélünk. Egy elem felezési idejemegadja, hogy mennyi idő alatt bomlik el az atomok fele. Az U-238 felezési ideje 4,5 milliárdév, a rádiumé 1620 év, a franciumé 21 perc.

Aktivitás és dózis



Egy radioaktív anyag aktivitása azt fejezi ki, hogy hány atommag bomlik elmásodpercenként. Mértékegysége a becquerel (Bq), Antoine Henry Becquerel francia tudósrólnevezték el, aki a radioaktivitás felfedező je.

A dózis a besugárzott anyag által elnyelt energiát fejezi ki, mértékegysége a gray (Gy), 1Gy = 1 J / kg. Ha az ember 0,01 Gy dózist kapna, hőmérséklete ennek hatására csupán 0,0001°C-ot emelkedne. Ez a sugárzás viszont már jelentékeny károsodást okozhat azzal, hogy a

létfontosságú molekulákat (DNS) szétroncsolja.A különböző radioaktív sugarak viszont nem okoznak egyforma károkat a szervezetben: 1Gy α-sugárzás például hússzor veszélyesebb 1 Gy β-sugárzásnál. Ezért vezették be a dózisbiológiai megfelelő jét, a dózisegyenértéket, amely figyelembe veszi, hogy a különböző sugárfajták más hatást gyakorolnak az élő szervezetre. A dózisegyenérték mértékegysége asievert (Sv). 20 Sv α-sugárzás megfelel 1 Gy α-sugárzásnak, ami viszont 20 Gy β-sugárzássalegyenértékű.

Alkalmazás

Hevesy György 1913-ban fedezte fel a radioaktív nyomjelzés technikáját. Lényege, hogynyomon követhetünk egyes folyamatokat az azokba való beavatkozás nélkül. Ha a vizsgálandórendszer egyik összetevő jének van γ -sugárzó izotópja, akkor egy részüket kicserélve a sugárzóizotópokra megfelelően érzékeny γ -detektorral követni lehet a részecske mozgását a rendszerben.Hevesy a '20-as, '30-as években már a radioaktív nyomjelzés biológiai alkalmazásait kutatta. Aző munkássága nyomán alakult ki az izotópdiagnosztika. A radioaktív nyomjelzés kiválóanalkalmas daganatos, gyulladásos, neurológiai és kardiológiai betegségek felderítésére.

A bór neutron befogásos rákterápia (BNCT) elvét Locher dolgozta ki 1936-ban. Lényege,hogy olyan elemet juttatunk a rákos sejtekbe, amelyet lassú neutronokkal besugározva rövidhatótávolságú, ellenben erősen ionizáló sugárzást bocsájt ki. Erre a célra a bór a legmegfelelőbb,mivel nagy valószínűséggel fogja be a termikus neutronokat, és nem mérgező.

A B-10 a termikus neutronnal az alábbi reakcióba lép:10B + n = 7Li + 4He (α-részecske) + 2,4 MeV

A felszabadult energia a keletkező magok sebességét adja. Az ilyen nagy energiávalrendelkező részecskék erősen ionizálnak, ugyanakkor körülbelül 10 µm-en lelassulnak, ezzelleadva összes energiájukat. Ez azt jelenti, hogy csak az α-részecskét kibocsájtó sejt, esetleg aszomszédai sérülnek.

A BNCT alkalmazásához legalább 109 n/cm2s neutronfluxus (109 neutron halad átmásodpercenként 1 cm2 bőrfelületen) szükséges. Ekkora mennyiségű neutront jelenleg csak areaktorokban tudnak előállítani. Az USA-ban 1953 óta kezeltek betegeket két kutatóraktorban. 8év múlva azonban leálltak, mert ez a módszer sem volt sokkal sikeresebb a régi technikáktól. ABNCT másik nagy központja Japán. Tokiói Hitachi Training Reactor besugárzó alagútjában1968-ban végezték az első sikeres kezelést.



A FISSZIÓA maghasadás – fisszió

Az eddigiekben olyan elemekről volt szó, amelyek spontán módon bomlanak szét, azazalakulnak át más elemekké. Valójában mindegyik elemet szét lehet hasítani (kivéve persze az

egyes tömegszámú hidrogént), ha elég nagy energiát fektetünk be. Energiaelőállításiszempontból természetesen csak a könnyen hasadó magok érdekesek. Ezeknél általábangerjesztett maghasadásról beszélünk, amikor egy külső energiaforrás vagy egy kívülről jövő részecske hatására bomlik el az atommag.

Az atommag akkor a legstabilabb, amikor gömbszimmetrikus, azaz a nukleonok energiájaminimális. A külső hatásra deformálódott atom rezegni kezd, és ha a közölt energia eléri akritikus szintet (aktivációs energia), akkor az atommag széthasad.

Az uránmag kötési energiája 1 MeV-tal kisebb a periódusos rendszer közepén lévő elemekétől. Így amikor a mag két kisebbre “szakad”, akkor a kötési energiák különbségévelegyenértékű tömeg tűnik el. Ezt nevezzük tömegdefektusnak vagy tömeghiánynak. Ez a hiányzótömeg – az össztömeg kb. 0,1%-a – energiává alakul. A felszabadult energia Einstein E=mc 2

képletével adható meg. Egy uránmag hasadásakor például átlagosan 200 MeV energia szabadulfel. Ennek 85%-a a hasadási termékek kinetikus energiáját fedezi, azaz a hasadó anyagkörnyezetét melegíti fel és mindössze 15%-a megy el a hasadási termékek gerjesztésienergiájára, amely a különbözõ sugárzások kibocsátásához vezet, valamint a neutrínók kinetikusenergiájára fordítódik.

Az atomerőművek legelterjedtebb tüzelőanyaga az U-235. Az U-235 befog egy termikusneutront, és egy ún. köztes mag, U-236 jön létre. Ez szinte azonnal szétesik, például I-139 és Y-96 atomokra és egy neutronra:

235U + n → 236U→ 139I + 96Y + n

Mivel a nehéz atommagokban általában nagyobb a neutron/proton arány mint akönnyűekben, ezért a hasadáskor több neutron is kilép. Ezeket nevezzük azonnali vagy promptneutronoknak. A neutronok kisebb hányada (pl. U-235 esetén 0,64 % részarányban) a promptneutronoknál nagyságrendekkel lassabban (0,2 - 50 másodperc) szabadulnak fel a hasadványmagokból, ezeket nevezzük késő neutronoknak. Ezek nagyon fontosak az atomerőmű szabályozhatóságának szempontjából.

A láncreakció

Az atomerőműveknek és az atombombáknak ugyanaz az alapelvük: aneutronsokszorozáson alapuló láncreakció. Ez abból áll, hogy minden atomot egy szabad neutron

hasít szét, és minden hasadásnál keletkezik néhány neutron. Ezek azután további atomokathasítanak szét és ekkor további szabad neutronok keletkeznek, egészen amíg hasadóanyag el



nem fogy. Az egy hasadásból származó neutronok azon számát, amelyek a következõ neutron-generációban egy újabb maghasadást hoznak létre, “k” sokszorozási tényezõnek nevezzük.

• Ha k < 1, akkor a láncreakció egy idő után leáll, hiszen a neutronok száma csökken, ésa reaktor szubkritikus állapotban van

• Ha k = 1, akkor a láncreakció időben állandó (stacionárius), míg a reaktor kritikusállapotban van

• Ha k > 1, akkor a láncreakcióban résztvevő neutronok száma egyre növekszik, areaktor pedig szuperkritikus állapotban van. 2

Az atomerőműveknél csak olyan anyagokat alkalmaznak, amelyekben a reakcióképesatommagokban levõ hasadáskor felszabaduló neutronok energiája nagyobb, de legalább akkora,mint az aktivációs energia. Ennek a feltételnek csak három elem tesz eleget:

• U-235 – ez a természetben csak 0,715%-ban jelentkezik, ezért dúsítani kell• U-233 – ez a Th-232-ből keletkezik a reaktorban neutronbefogással• Pu-239 – ez az U-239-ből keletkezik szintén a reaktorban neutronbefogással

A szabályozatlan láncreakció

A szabályozatlan láncreakció – elegendő hasadóanyag jelenlétében – kis idő alatt nagymennyiségű hőt termel. A kritikus tömeg (amely alatt nem indul be a láncreakció) a hasadóanyagalakjától függ. A legkevesebb anyag a gömb formánál kell, ott U-235-ből 23 kg-nyi,plutóniumból 5,6 kg-nyi elegendő. Itt a hasadóanyag majdnem 100%-ra van dúsítva, azért, hogyminden keletkező neutron egy újabb hasadóképes atommagot találjon el. A bombában az uránkét félgömb alakban van elhelyezve (midkét félgömb szubkritikus tömegű), nehogy aláncreakció spontán módon meginduljon. Aktiváláskor a két félgömb körül elhelyezett vegyirobbanóanyag összeütközteti a két félgömböt, az urán eléri a kritikus tömeget, és beindul aláncreakció. Ilyen fajta bombát dobott le Hiroshimára az USA hadserege 1945 augusztus 6-án.Nagaszakira augusztus 9-én dobtak plutóniumbombát, ami ugyanezen az elven működik.

A szabályozott láncreakció

Az U-235 csak a lassú (termikus) elektronokat képes befogni, viszont a hasadás során 2-3gyors neutron keletkezik. Emiatt kell a moderátor (neutronlassító) és a neutron-abszorbens, azaza neutronelnyelő. A jó moderátornak két feltételt kell kielégítenie:

• A gyors neutronok minél hamarabb, lehetőleg már egy-két ütközés után váljanaktermikussá (azaz lassuljanak le). Így könnyebben elkerülik azt, hogy egy U-238 atombefogja őket. Ez a feltétel csak kis rendszámú elemekre teljesül.

• A moderátor maga csak kevéssé nyelje el a neutronokat, hogy azok ne vesszenek el atovábbi hasadások szempontjából.

A következő táblázat az egyes anyagok tulajdonságait mutatja be:

ModerátorA termikussághoz

szükséges ütközések számaNeutronbefogásra

való hajlamH-1, hidrogén 18 650H-2, deutérium 25 1Be-9, berilium 86 7

C-12, grafit 114 10

*a második oszlop egy 1,75 MeV energiájú neutron termikussá válásához szükséges

ütközések számát tünteti föl

2 A reaktor üzemeltetése a k-nak csak egy szűk sávjában lehet biztonságos. A gyakorlatban azonban ez a szűksáv is elégséges ahhoz, hogy a reaktort kézben tartsuk.



*a harmadik oszlop relatív egységeket mutat, ahol a deutériumot vettük 1-nek

Várható volt, hogy a legkisebb tömegű atommagnál (H-1) lesz a legkevesebb ütközésszükséges, az viszont nagyon könnyen elnyeli a neutronokat. A két oszlop együttes vizsgálataalapján a deutérium felel meg legjobban a követelményeknek, viszont gazdasági szempontból (anehézvíz nagyon drága) mégis inkább könnyűvizet (H2O) használnak.

A neutronok számát a reaktorban nyilvánvalóan szabályoznunk kell, hiszen ettől függ alétrejövő maghasadások száma, és így a felszabaduló energia is. A láncreakció szabályozásáhozolyan anyagok kellenek, amelyek nagyobb valószínűséggel nyelik el a neutronokat, mint magaaz urán. A leginkább használatos neutronabszorbensek a kadmium (Cd) és a bór (B).

A szabályozás legf őbb eszköze a szabályozó rúd. Ezek neutronelnyelő anyagból készülnek,amelyeket a hasadóanyagba lehet engedni illetve kihúzni, így szabályozva a maghasadástlétrehozó neutronok számát. Ha csökkenteni akarjuk a reaktor teljesítményét, elég beljebb tolni aszabályozó rudakat, és ez elnyeli az épp hasítani készülő neutronok egy részét, így csökken ahasításra készen álló neutronok száma. Ha növelni akarjuk a teljesítményt, több neutronra vanszükségünk a hasításhoz, vagyis kijjebb kell húzni a neutronelnyelő rudakat. A szabályozórudakf őleg a rövid időn belüli beavatkozáshoz és a leálláshoz szükségesek. Hosszú távú

szabályozáshoz a hűtőközegben oldott bórsavat használnak.A láncreakció szabályozhatóságának legfontosabb feltétele: a teljesítmény növekedésének

a sebessége elég kicsi kell hogy legyen ahhoz, hogy a szabályozórudakkal beavatkozhassunk. Ateljesítmény növekedésének ütemét azzal az idővel szoktuk jellemezni, amely alatt a teljesítménymegkétszereződik. Ez a kétszerezési idő (T2x), és értékét biztonsági okokból (alulról)korlátozzák: atomerőművekben nem lehet egy-két percnél rövidebb, de kísérleti éskutatóreaktorokban sem engednek meg tíz-húsz másodpercnél kisebb értéket. Ennyi idő bővenelegendő arra, hogy a szabályozórudakkal beavatkozzunk.

A láncreakció szabályozhatóságát a késő neutronokkal érik el: a szuperkritikus reaktormindaddig ellenőrizhető, amíg a késő neutronok nélkül szubkritikus lenne. Ekkor ugyanis akétszerezési idő elég nagy a közbeavatkozáshoz. Viszont ha a láncreakció csak a promptneutronokkal is fenntartja magát, akkor a kétszerezési idő nagyságrendje 0,001 másodperc, és ezkülső beavatkozást nem tesz lehetővé. Ez a prompt szuperkritikus állapot (a reaktor“megszalad”).

Dúsítási eljárások

A láncreakció alapfeltétele, hogy a keletkezett neutron hasadóképes magot találjon el. Azurán több mint 99%-a U-238-ból áll, ami elnyeli a neutronokat. Ezért az uránt dúsítani kell,vagyis az U-235 koncentrációját meg kell emelni. Mivel az izotópok kémiailag nemkülönböznek, ezért fizikai módszereket kell alkalmazni, kihasználva a tömegkülönbségüket. Az

uránt először flour segítségével gázzá (UF6) alakítják, majd különböző módszerekkelszétválasztják őket:

• Fúvókás szétválasztás során az UF6 gázt egy félkör alakban meghajlított vékony csőbe,a fúvókába vezetik. A félkör alakú pálya miatt fellépő centrifugális erő hatására a gáznehezebb U-238 tartalma a cső külső fala mentén magasabb, és így el lehet választaniaz U-235-től

• A centrifugás módszerben a gázt egy gyors centrifugában pörgetik. A centrifugaközepében felhalmozódnak az U-235 atomok, mivel az U-238 a nagyobbtehetetlensége miatt nagyobb ívű pályára kényszerül.

• A gázdiffúziós módszer alkalmazásakor a túlnyomás alatt levő UF6 gázt egymembránon nyomják át. Az U-235 atomok mozgékonyabbak, és könnyebben átjutnaka membránon



Természetesen az egyik módszerrel sem különíthető el tökéletesen egymástól a két izotóp,

ezért a dúsító egységeket sorba kapcsolják, hogy az U-235 feldúsuljon a kívánt mértékre.

Atomerőművek

Az atomkor 1942. december 2-án kezdődött: a chicagói egyetemen szigorúan titkoskörülmények között Enrico Fermi és munkatársai ekkor végeztek először ellenőrzöttatommaghasítást. Noha eredményeik elsőként a hirosimai és nagaszaki atombomba ledobásábancsúcsosodtak ki, az atomenergia úgynevezett békés célú felhasználása sem váratott sokatmagára: 1951-ben a kutatók annyi villamosságot fejlesztettek egy atomreaktorral, amellyel 4közönséges izzó világíthatott. A világ legelső atomerőművét Obnyinszkban (Oroszország)helyezték üzembe, 1954. július 24-én. Urán tüzelőanyaggal, grafit neutronlassítóval ésvízhűtéssel működött.

Forralóvizes reaktor

A forralóvizes reaktorban a moderátor és a hűtőközeg szerepét is könnyűvíz (H2O) tölti be.A reaktortartályban a láncreakció következtében felszabaduló hő gőzzé alakítja a rajta

átáramoltatott vizet, és a keletkezett gőzt a turbinákra vezetik. Onnan a víz kondenzátoron es aszivattyún keresztül visszajut a reaktortartályba.Az atomerőmű f űtőelemei uránoxidból (UO2) készült üzemanyag-tablettákat tartalmaznak.

Ezek méretei reaktortól reaktorig változnak, általában 1,5 cm magas és 1 cm átmérő jű tablettákká préselik őket. Ezután 1700°C-ra hevítik őket, hogy elérjék a megfelelő sűrűséget ésszilárdságot. A kész tablettákat burkolócsövekbe rakják. Ezek soha sem töltik ki teljesen acsövet, hogy a maghasadás során keletkező gáznak elég helye legyen. A megtöltött és lezártcsövet nevezzük üzemenyagrúdnak. Az üzemanyagrudakat egy tartószerkezettel tartják együtt,ezt nevezik f űtőelemnek. Egy f űtőelemben 64 - 100 rúd lehet. A f űtőelemek függőlegesenvannak elhelyezve a reaktortartályban. Ahhoz, hogy kicseréljék őket, le kell állítani az erőművet,mivel a tartályban 75 atmoszféranyomás uralkodik. Ekkora nyomás mellett a víz 300°C-on forr,

és az így keletkezett gőzt vezetik a turbinákra.Ezen erőművek hatásfoka 33%-35%. Előnye a típusnak, hogy – mivel ez a legegyszerűbb

felépítésű – a beruházási költségek viszonylag alacsonyak. A világon ma működő atomreaktorokösszteljesítményének 22.5%-át adják a forralóvizes reaktorok.

Nyomottvizes reaktor

Könnyűvizes reaktor

A nyomottvizes reaktornak a moderátora és hűtőközege egyaránt könnyűvíz (H2O). A víz

két zárt, egymástól teljesen elválasztott körben kering. Így elérhető, hogy a hűtőközegbe kerültradioaktív anyagok a primer körben maradjanak, és ne kerülhessenek a turbinába és akondenzátorba. Ez egy újabb védőgát a radioaktív szennyeződések kijutása ellen.



A primer körben a vizet nagyon nagy nyomáson tartják, emiatt az még a magas üzemi

hőmérsékleten (300-330°C) sem forr fel. Az állandó nyomást a nyomástartó edény (térfogat-kompenzátor) biztosítja. A primer köri víz az ún. gőzfejlesztő kis átmérő jű csöveiben átadjahő jét a szekunder kör vizének, majd alacsonyabb hőmérsékleten jut vissza a reaktorba. Aszekunder köri nyomás sokkal alacsonyabb, a víz felforr, és a már közölt módon meghajtjaturbinákat.

A víznek még egy szerepe van. Ha a reaktor túlságosan felmelegszik, a primerköri vízsűrűsége csökken, ezáltal kevesebb gyors neutront tud lefékezni, csökken a maghasadásokszáma, és a reaktor lehűl a megfelelő üzemi szintre. Ezt nevezik negatív üregtényezőnek.

Ennek a reaktortípusnak az üzemanyaga alacsonyan dúsított urán dioxid, néha urán-plutónium-oxid keverék (ún. MOX). A nyomottvizes a legelterjedtebb típus: a világon jelenlegüzemelő atomreaktorok összteljesítményének mintegy 63.8%-át adják.

Nehézvizes reaktor

A nehézvizes reaktor a könnyűvizesnek a módosított változata. A moderátor és ahűtőközeg a nehézvíz (D2O). Ebből ered ennek ennek a típusnak a hátránya: a nehézvíz nagyondrága folyadék. Viszont megéri az árát: az uránt csak 1% – 2%-ra kell dúsítani, vagy akár

természetes urán is használható. A nehézviz itt a primer körben kering. Van két változata, azegyikben a hűtőközeg térbelileg el van választva a moderátortól (a moderátor egy nagyobbtartályban van, amelyen belül helyezkednek el a vízszintes f űtőelemkötegeket körülvevő csövek,amelyekben áramlik a hűtőközeg). Ennek az az előnye, hogy nem kell az egész reaktortartálytnagy nyomás alatt tartani, és hogy a f űtőelemeket üzem közben lehet cserélni. Ilyen típusú akanadai CANDU erőmű reaktora. A másik fajtában az egész reaktortartály nyomás alatt van. Itt amoderátor és a hűtőközeg ugyanaz a nehézvíz.

A nehézvizes reaktorok a világ mai atomerőmű-összteljesítményének 5.3%-át adják, azépítés alatt levőknek 13.2%-át, tehát erősen elterjedőben vannak. Ennek egyik oka abiztonságossága, a másik pedig a magas konverziós tényező je, vagyis a reaktor maga is sokhasadóanyagot állít elő az üzemanyagban lévő 238-as urán izotópból.



Gázhűtésű reaktorok

A gáz-grafit reaktorok moderátora grafit, hűtőközege pedig valamilyen gáz (többnyireCO2, újabban hélium). A legrégebbi reaktortípusok közé tartozik, első példánya az 1955-benAngliában elkészült Calder Hall-i erőmű reaktora. A reaktor üzemanyaga természetes urán.

A legújabb gázhűtésű reaktortípus a magas hőmérsékletű He-hűtésű reaktor, melynek

moderátora grafit, a hűtőközege viszont hélium. Ezzel a hűtőközeg hőmérséklete akár 950°C-rais felemelkedhet, ami nagyon jó hatásfokot eredményez (majdnem 50%).

A magas hőmérsékletű tóriumos reaktor a gázhűtésű reaktorok egy speciális fajtája. Ahűtőközeg hélium, üzemanyaga Th-232 és U-235. A reaktor f űtőelemei 6 cm átmérő jű golyók,ezekben kisebb golyók formájában van a tórium és az urán. A golyók közti helyet grafit tölti ki,ami egyben moderátor is. A tórium neutronbefogással U-233-á alakul, amit szintén hasítanak atermikus neutronok. A hőt héliummal vezetik el, ami kilépéskor 750°C. Ez 6 gőzfejlesztőbenadta át hő jét a víz – gőz körnek.

A beépített átrakógép lehetővé teszi a f űtőelemgolyók üzem közbeni cseréjét.Mindössze egy ilyen reaktor üzemelt eddig, 1985 és 1989 között. A reaktor termikus

teljesítménye 760 MW, elektromos teljesítménye 307 MW, hatásfoka pedig 40.5% volt, ami elég jó a termikus erőművek teljesítményeihez képest.

Tenyésztőreaktor

Az előzőekben ismertetett reaktorokban (ún. termikus reaktorok) U-235 a hasadóanyag,míg az U-238 kis mértékben járul hozzá az energiatermeléshez. A tenyésztőreaktorokban azU-238 neutronbefogással és két egymást követő β-bomlással Pu-239-é alakul. Ez hasadóképesanyag, és legjobban gyors neutronnal lehet hasítani.

A tenyésztőreaktor aktív zónája két részből áll. Belül vannak a f űtőelempálcák, amelyek15%-ra dúsított UO2 /PuO2 keveréket tartalmaznak. Ebben a részben a maghasadások

dominálnak. A belső részt körülvevő, U-235-ben szegényített uránt tartalmazó UO2-köpenybenaz urán 238-as Pu-239-é alakulása a meghatározó folyamat. Ezek a tenyésztőrudak. Agyorsreaktorokban a folyamat úgy irányítható, hogy az U-238-ból több hasadóképes Pu-239



keletkezzen, mint amennyi a maghasadásokhoz kell. A plutóniumot aztán más reaktorokbantüzelőanyagként lehet használni.

Ebben a reaktortípusban nem szabad moderátornak jelen lennie, mivel mint amagátalakuláshoz, mint a maghasadáshoz gyors neutronok szükségesek. A hasadóanyag nagyaránya miatt a f űtőelemek hőleadása is nagy. Hőelvezetőként folyékony nátriumot használnak,ami nem lassítja a neutronokat, és hővezető képessége is kiváló. A primerköri nátrium

felmelegíti a szekunderköri nátriumot, ami a gőzfejlesztőben gőzzé alakítja a vizet. A gőz ezekután meghajtja a turbinákat. A három kör használata a Na veszélyessége miatt szükséges. (Aprimer körben keringő nátriumot a szabad neutronok felaktiválják, radioaktív Na-24 keletkezik.A második nátriumkör megakadályozza, hogy a radioaktív Na esetleg érintkezhessen a víz-gőzkörrel.)

A tenyésztőreaktornak egy fontos tulajdonsága a tenyésztési arány (breeding ratio), amimegmutatja, hogy mennyi Pu-239-et termelünk egységnyi hasadóképes anyag elbomlása közben.Ez az érték 1.2 körül mozog, bár a tudósok az 1.4-es szintet szeretnék elérni. A hasadásonkéntkapott átlag 2.4 neutronból egy marad a láncreakció fenntartására, a többi az U-238 átalakításárahasználódik. Ide kapcsolódik egy másik fogalom, a duplázási idő. Ennyi idő alatt termel meg atenyésztőreaktor egy másik reaktor számára elegendő üzemanyagot.

A legnagyobb tenyésztőreaktoros atomerőmű a Superphenix, 1986 óta működikFranciaországban. Az üzemanyagrudak és a tenyésztőrudak egy 3 x 5 m-es tömböt alkotnak. Aprimerköri nátriumot 500°C-ra hevítik, mielőtt átadja a hő jét a szekunderköri nátriumnak.Hatásfoka 39%, duplázási ideje 20 év. A gyors tenyésztőreaktorok a világ atomerőműviösszkapacitásának kevesebb, mint 1%-át adják. A közvélemény nagyon ellenzi ezt areaktortípust, mivel a termelt Pu-239 kitűnő bomba alapanyag.

Biztonság

Az atomerőművek szerkezetükből kifolyólag soha sem robbanhatnak föl atombombaként,

aminek több oka van:• A már említett szabályozórudakkal és a vízbe kevert bórsavval mindig ellenőrzés alattlehet tartani a láncreakciót

• A belső, ún. inherens biztonság leállítja a láncreakciót, ha a teljesítmény túl nagyra nő • A reaktorban a hasadóanyag aránya 1% – 4% (a tenyésztőreaktorban 20%) az össz

anyaghoz képest, míg az atombombában majdnem 100%Ennek ellenére a Csernobili baleset óta biztosan sokakban fölmerült a kérdés: mennyire

biztonságosak az atomerőművek. A sajtó és más tömegkommunikációs eszközök gyakran eltérő adatokat közölnek, ami az emberekben szükségtelen félelmet kelt. A legtöbb erőműben annak azesélye, hogy komoly baleset történjen, 10-4 évente.

Az újabb atomerőművekben mind nagyobb és nagyobb hangsúlyt fektetnek a biztonságra.

Ennek eredményeképpen a súlyos balesetek valószínűsége egy – két nagyságrenddel csökkent. Agyártó vállalatok három f ő irányba indultak el:

• Evolúciós erőművek – a meglévő típusok továbbfejlesztése. Teljesítményük 900 MWfölötti, szigorúbbak a biztonsági előírások, nagyobb tömegű a hűtőközeg, nagyobbbiztonsági tartalékok vannak stb.

• Passzív erőművek a biztonságot fizikai törvényekre alapozzák (gravitáció, természetesáramlás), így az nem függ a biztonsági rendszerek működésétől. Ezt inherensbiztonságnak is nevezzük.

• Innovatív erőművek a biztonságot passzív eszközökkel érik el. Teljesen újkonstrukciójuk van, ez egyben hátrányuk is, mert egyenlőre valószínűtlen a

megvalósulásuk

Mérnöki gátak



Egy atomerőmű működése közben sok olyan erősen radioaktív elem keletkezik, amelyeksemmi körülmények között sem kerülhetnek ki a szabadba. Ezért szinte mindegyik atomerőmű hatszoros biztonsággal működik:

1. A hasadványok üzemanyag – tablettákba vannak zárva2. Az üzemanyagrudak légmentesen lezárt csövei semmilyen veszélyes anyagot sem

engednek át

3. A reaktor nyomásálló tartálya4. Az összes szerkezeti elem, amelyből sugárzás kiindulhat, vasbeton fallal van körülvéve5. Acél biztonsági tartály, ami körülveszi az összes eddig említett berendezést6. Egy, egy méternél is vastagabb betonburok, ami még egy repülő rázuhanását is kibirná.

Belső biztonság

A reaktor teljesítményének változtatásakor a hőmérsékletek (üzemanyag, hűtőközeg) isváltoznak, azok pedig különböző magfizikai folyamatokon keresztül változtatják a reaktivitást. Ateljesítmény növelésekor megemelkedik az üzemanyag hőmérséklete. Az U-238 viszontmagasabb hőmérsékleten jobban elnyeli a neutronokat. Így a hasítani képes neutronok száma, s

ezáltal a hasadások száma is, csökken, ami pedig a teljesítmény csökkenését okozza. Végül is ateljesítmény változása visszahat a teljesítményre. Ha a visszahatás olyan, hogy a kiváltó okkalellentétes folyamatot váltson ki, akkor negatív visszacsatolásról beszélünk. A reaktor biztonságaérdekében célunk, hogy a visszacsatolások minden esetben negatívak legyenek. Ekkor ugyanis ateljesítménynövekedés reaktivitáscsökkenést okoz, ami pedig előbb – utóbb szubkritikusállapotba viszi a reaktort. Ilyenkor mondjuk, hogy az erőmű belső (inherens) biztonsággalrendelkezik. Ilyenek például a nyomottvizes reaktorok. Legutóbb sikerült olyan erőműveketkifejleszteni, amelyek teljesen az inherens biztonságon alapszanak.

Az inherens biztonság ellenpéldájaként meg kell említeni a csernobili RMBK típusúreaktort, amelynél előfordulhat olyan üzemállapot, hogy pozitív visszacsatolások jelentkeznek.

Balesetek

Az atomerőművi balesetek megmutatták, hogy ezekben mennyire fontos szerepet játszik azember. Nagy gondot kell fordítani a megfelelő szakemberképzésre, valamint a már meglévőektovábbképzésére. Rámutattak továbbá bizonyos típusú atomerőművek tervezési hiányosságaira(pozitív visszacsatolások), és a kutatókat jobb erőművek tervezésére ösztönzik.

Three Miles Island

1979 március 28-án volt a pennsylvaniai Three Miles Island Atomerőmű második blokkján

a részleges zónaolvadáshoz vezető reaktorbaleset. Az eseménysor leglényegesebb elemei:• hajnalban egy gőzfejlesztő tápvíz ellátását biztosító szivattyú meghibásodott, a

védelem automatikusan leállította a reaktort és a turbinát• a maradványhő a vizet melegítette, a túlnyomás elvezetésére szolgáló szelep kinyílott,

de a nyomás csökkenése után nem zárt le (fennakadt), a nyomás és a hűtővízmennyisége tovább csökkent

• az operátor ezt nem vette észre, mert a vezénylőben a szelep lámpája zárt állapototmutatott

• az üzemzavari zónahűtő rendszer a beállított paraméterek szerint beindult, viszont azoperátor ezt indokolatlannak találta, és leállította

• az aktív zónában elforrt a hűtővíz, és az üzemanyagrudak túhevülés miatt megrepedtek,és hasadási termékek kerültek a primer körbe

• a radioaktív anyagok kiszabadultak a primer körből a hermetikusan záróreaktorépületbe



• a műszakváltás után az új operátor lezárta a lefúvató szelepetA környezetbe szinte alig kerültek radioaktív anyagok, mert a reaktort tartalmazó

védőépület felfogta őket. Minimális mértékben csupán nemesgázok szabadultak ki. JimmyCarter elnök Kemény János magyar származású fizikust bízta meg a baleset kivizsgálásával. Abizottság rámutatott az operátorok képzettségi hiányaira, és javaslatokat tett vezénylőiinformációellátásuk javítása érdekében. Ráirányította a figyelmet a tennivalókra lakossággal és a

sajtóval való kommunikáció terén, az indokolatlan félelmek és a túlzó intézkedésekmegelőzésének érdekében.

Csernobil

A csernobili RMBK típusú reaktorok könnyűvíz hűtéssel, grafit moderátorral és urántüzelőanyaggal működnek, ezért pozitív az üregtényező jük (a víz a forrásával kevesebb neutronttud elnyelni, tehát növekszik a hasítóképes neutronok száma, ami magával vonja a teljesítménynövekedését). A hűtővíz-pumpák másodpercenként 10 000 liter vizet pumpáltak át az aktívzónán. Biztonsági okokból dízelpumpák is rendelkezésre álltak. Viszont áramkiesés esetén adízelpumpák beindulásához 1 perc szükséges, ami a hűtés szempontjából nagy idő. Ki akarták

próbálni, hogy a generátorok lendületéből mennyi áramot lehet nyerni, hogy hajtsák a pumpákat,míg a dízelpumpák be nem indulnak. Erre a villanyfogyasztás tavaszi csökkenéséhez illeszkedő reaktorleállítás kínált alkalmat.

• 1986 április 25., péntek déli 1 óra: megkezdődik a 3,2 GW teljesítmény csökkentése• 13 óra 25 perc: a hőteljesítmény 1,6 GW. A két turbina közül az egyiket lekapcsolják• 14 óra: Az operátor lekapcsolja az automatikus vészhűtő rendszert• 23 óra 10 perc: folytatják a teljesítménycsökkentést 20%-25%-ra• április 26., szombat, 1 óra 7 perc: a reaktort sikerül 0,2 GW-on stabilizálni• a reaktor sokáig üzemelt alacsony teljesítményen, és ez xenon mérgezéshez vezet: az

U-235 Xe-135-re bomlik, ami nagyon jó neutronelnyelő. Az újraindítást követően az

emelkedő neutronszint fogyasztja a Xe-135 reaktormérget is. Ezért a csernobili reaktorcsak úgy volt hajlandó működni, ha a szabályzórudakat magasan a megengedett szintfölé emelik. Ilyen helyzetben a szabályzórúdnak 1 másodperc kell, hogy szabadeséssela reaktorba hulljon, és leállítsa a reakciót.

• 1 óra 23 perc: az operátor kikapcsolja a vészleállítás automatikáját. A másodikturbinához vezető csapot elzárja, ami a hűtővíz melegedéséshez vezet

• 1 óra 23 perc 24 másodperc: a szabályozórudak megindulnak lefelé. Kiszorítják aneutronelnyelő vizet, ezért a neutronsokszorozás nehány százalékkal megnő

• 1 óra 23 perc 40 másodperc: a hőteljesítmény 0,32 GW-ra szökik föl. Beindítják avészleállítást.

• 1 óra 23 perc 43 másodperc: a rektorteljesítmény 1,4 GW és másodpercenkéntduplázódik! A reaktor lokálisan szuperkritikussá vált, a hőtágulás meggörbíti aszabályozó rudak csatornáit. A lefelé mozgó szabályozórudak félúton megakadnak.

• 1 óra 23 perc 45 másodperc: 3 GW hőteljesítmény, a hűtővíz elforr, az egész reaktorszuperkritikussá válik.

• 1 óra 23 perc 47 másodperc: fölrepednek a f űtőelemek burkolatai, eltörnek ahűtőcsatornák vezetékei, radioaktivitás szabadul ki. A láncreakció leáll.

• A reaktor aktív zónája megnyílt, és a levegőbe radioaktív anyagok kerültekA Csernobili Erőműben 32 áldozat volt. A kapott sugárdózistól elhunytak száma mai napig

sem biztos, mivel a kormány mindig a maga javára módosítja azokat. Objektív becslések szerint1500-3000 ember vesztette életét az atomerőmű „likvidálásakor” kapott sugárterhelés által

kiváltott ráktól.



Atommeghajtású járművek

Az atomreaktorokat nem csak elektromos áram előállítására használják, hanem különféle járművekbe is beépítik őket. Legismertebb az atomjégtörő és az atomtengeralattjáró.Alkalmazásuk akkor célszerű, ha a járműnek hosszabb utakat kell megtennie üzemanyagfelvételnélkül.

Atomjégtörők és anyahajók

Az atomjégtörők f őleg az északi országok számára jelentősek, mivel a kereskedelmi utak jóval megrövidülnek, ha a sarkon keresztül közlekedhetnek a hajók. Az első atomjégtörő azorosz Lenin volt. 1957-ben került forgalomba, és 1989-ig teljesített szolgálatot. Három,egyenként 90 MW-os nyomottvizes erőmű hajtotta, UO2 f űtőelemekkel, amelyeket kétéventecserélt. Az újabb jégtörőknek általában 2 nyomottvizes reaktoruk van, amelyben az urán 30% -40%-ra dúsított. Atommeghajtású teherhajó nem sok készült, az USA-nak, Németországnak, ésJapánnak van egy-egy ilyen hajója.

Léteznek atommeghajtású repülőgép anyahajók is, ilyennel azonban csak az USArendelkezik. Nagyságuk és a hosszú cirkálási útvonaluk indokolják a nukleáris meghajtást. Alegelső ilyen hajó az USS Enterprise, amelyet 1960-ban bocsátottak vízre (8 db nyomottvizesreaktorral).

Atomtengeralattjárók

A régi tengeralattjárók rossz tulajdonságai (alacsony víz alatti sebesség, rövid víz alatttartózkodási idő) indokolták az atomtengeralattjárók kifejlesztését. A első nukleáristengeralattjáró a Nautilus, 1954-ben készült el, és 1983-ig volt szolgálatban. Ezek a járművekakár 40 km/h víz alatti sebességet is elértek, és a 30 napos merülés is gyakorlattá vált. Az USS

Triton 1960-ban végig a víz alatt kerülte meg a Földet. A modern tengeralattjárók akár 16-szor ismegtehetik ezt az utat üzemanyagcsere nélkül.Itt is nyomottvizes reaktorokat alkalmaznak, és a szekunderköri gőz a turbinát forgatja. A

turbina áttétellel van kapcsolva a hajócsavarhoz. Természetesen a turbina áramot is termel, ezzeloldják meg a légkondicionálást és az édesvíz desztillálását a tengervízből. Ilyen feltételekkel atengeralattjáró akár hónapokig is víz alatt maradhat.



A FÚZIÓA magfúzió

Egyes alacsony rendszámú atomok speciális körülmények között hajlamosak arra, hogy azatommagjuk összeolvadjon, azaz fúzionáljanak. Az ok ugyanaz, mint a maghasadásnál: az ilyen

módon egyesült atommagban az új kötési energia sokkal alacsonyabb, mint a külön-külön azatommagokban. A fúzió létrejöttéhez meglehetősen szélsőséges körülmények szükségesek. Azanyagot több millió Kelvin hőmérsékletre kell felhevíteni, és több száz több tíz millió Panyomást kell elérni. Csak ilyen feltételek mellett képesek az atomok legyőzni az atommagokközött ható Coulomb erőt. A termonukleáris-fúziós láncreakció létrejöttének feltételei:

• Legyen elegendő fuzionáló anyag.• Minden anyag legyen plazma-állapotban.3 • A termelt energia mindig legyen több, mint a fúzióban elfogyasztott.Itt föltüntetek néhány fúziós reakciót:• D + D → He-3 + neutron + 3,25

• D + He-3 → He-4 + proton + 18,3 MeV• D + T → He-4 + neutron + 17,6 MeV• D + Li-6 → 2He-4 + 22,4 MeV* D – deutérium, (H-2), T – tricium (H-3)

Ezek közül a legkönnyebben megvalósítható a D + T reakció. A tricium viszonylag ritka atermészetben, és radioaktív is, azonban előállítható litiumból a fúzióban keletkező neutron általkiváltott magreakcióban. A két reakció egy olyan zárt kört ad, amelyben csak a deutérium és alitium a bemenö anyag és hélium keletkezik. Ennek a reakciónak a létrejöttéhez a reaktorban azanyagot 2*104 eV (2*108 K) hőmérsékleten kellene tartani. Ezen a hőmérsékleten arészecskéknek a mozgási energiájuk akkora, hogy az atomok ütközés közben elvasztikeletronjaikat. Így a gáz szabad atommagok és elektronok keverékévé válik. Ez a plazma állapot.

Ahhoz, hogy a fúzió önfenntartó legyen, a veszteségeknek kisebbeknek kell lenniük amegtermelt energiától. Ezt Lawson – kritériumnak nevezik, és a hőmérséklettel és egy ú.n.energiaösszetartási idővel (megadja, hogy mennyi idő alatt csökken a plazma energiatartalma 1/erészére) áll összefüggésben. Ha a plazmát folyamatosan addig f űtjük, hogy elérje a Lawson -kritérium feltételeit, akkor eléri a gyújtás (ignition) állapotot. Ezen a ponton a plazma általtermelt fúziós teljesítményből a plazmában maradó rész éppen egyenlő a plazma veszteségeivel.Ha kicsit tovább emeljük a hőmérsékletet, akkor a plazma tovább f űti magát, és külső beavatkozás nélkül is önfenntartóvá válik. A plazma veszteségei mindig monoton növekednek ahömérséklet emelésével, míg a fúziós teljesítménynek maximuma van. Ezért a gyújtás után ahőmérséklet megnő, majd stabilizálódik egy magasabb értéken. A folyamat tehát a fizikaitörvényei miatt nem tud megszaladni, mindenféle külső beavatkozás nélkül is egy stabilhőmérsékletre áll be. Ahhoz, hogy ezt a stabil állapotot elérjük a plazmát a gyújtásig kelleneeljuttatni.

A Lawson – kritériumot kétféleképpen lehet elérni:1. Növeljük a plazma sűrűségét (inerciális fúzió)2. Mágneses terekkel összetartjuk a plazmát, így növeljük az energiaösszetartási idöt

(mágneses fúzió)

Tehetetlenségi (inerciális) fúzió

3 Kísérletek folynak a “hideg” fúzióval (cold fusion) is. Ennek az a lényege, hogy egyes anyagokban ahidrogénmagok olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy beindulhat a fúzió. A pozitív eredményekkel szolgálókísérleteket eddig még nem sikerült megismételni, ezért a tudóstársadalom általában elveti a hideg fúzió lehetőségét.



Ennél a hozzáállásnál lézersugárral f űtik a céltárgyat, amiben, ha a gáz eléri a megfelelő hőmérsékletet, beindul a fúzió.

Az első lépésben a meleg D-T (deutérium – tricium keverék) gázt hirtelen lehűtik, így akülső réteg megfagy. A kapott gömb alakú kapszulát műanyaggal borítják be majd egy nehézfém(Au, Pb) borítású hengerbe (hohlraum) helyezik, ez lesz a céltárgy.

A továbbiakban lézer- vagy részecskenyalábokkal hevítjük a hohlraumot, és az ennekhatására kilépő ionok melegítik a kapszula felületét. Létezik viszont olyan változat is, ahol a nemhasználnak hohlraumot, a lézer közvetlenül a kapszulát f űti. A kapszula műanyag borításaplazma állapotba kerül és nyomása (mint egy rakátahajtómű) összenyomja a kapszula belsejét (aD-T keveréket). Amikor elég nagy sűrűség és hőmérséklet jön létre, akkor a töltetben beindul afúziós reakció és a kapszula felrobban. Ez nagyon kis idő alatt megy végbe (10-9 – 10-11 másodperc), ezért a kapszula a tehetlenségi erő miatt nem tud szétesni – innen a neve is azeljárásnak. A Lawrence Livermore laboratóriumokban kifejlesztettek egy ilyen rendszert. 10lézersugár f űti a kapszulákat, ami a 10-9 másodperc hosszúságú pulzusokban 100 000 J energiátad le. 1994-ben elérték a Lawson – kritériumot, de a fúzió nem indult be.

Ennél a módszernél a legnagyobb gondot a kapszula rétegeinek egyenetlensége okozza.

Ugyanis a hohlraumból kilépő ionok míg melegítik a kapszulát, az elrepedhet az egyenlőtlenmelegítés miatt. Hasonló okok miatt a plazmaállapotba került műanyag sem képes mindigösszenyomni a szilárd jégréteget. Ha megreped a D-T réteg, a gáz kiszökik, és nem indul be afúzió.

Mágneses fúzió

Mivel a plazma erősen kölcsönhat a mágneses terekkel, ezért olyan tervek is születtek,hogy a plazmát egy zárt gyűrű (tórusz) alakú mágneses térben tartják össze. Ha elég erős amágneses tér, akkor a plazma a megfelelő mértékben összesűrűsödik, és beindulhat a fúzió. Amágneses tér inhomogenitása (a tórusz alakjából kifolyólag) azonban szétválasztja a plazmát (az

ionok és az elektronok ellentétes irányba sodródnak), és ez egy függöleges elektromos térkialakulásához vezet. A függőleges töltésszétválás megelőzhető, ha a mágneses erővonalakatösszecsavarjuk, azaz helikális mágneses szerkezetet alakítunk ki. Így az erővonalak menténszabadon mozgó töltések a berendezés aljáról gyorsan átkerülhetnek a tetejére és így kiegyenlítika töltésszétválást. Kétféle módon alakíthatjuk ki a helikális teret:

1. A plazmában hajtott toroidális irányú áram mágneses terével (tokamak) – ez egyben aplazmát is melegíti

2. A tórusz felületére helyezett külső csavart tekercsekkel, vagy nem síkbeli mágnesestekercsekkel (stellarátor)

A plazmát litium réteg veszi körül, aminek két szerepe van. Az egyik, hogy elvezeti aplazma hő jét (a plazmából kilépő neutronok melegítik föl), a másik pedig hogy a litiumneutronbefogással triciummá alakul, ami a fúzió egyik kiinduló anyaga. A litium rétegfolyamatosan fogy a reaktor működése közben, ezért egyes tervek szerint folyékony litiumothasználnak majd.



A JET-ben (Joint European Torus) háromféleképpen f űtik a plazmát4:• A benne keringtetett áram segítségével (3-4 MA erősségű)• Mikrohullámokkal• Kívülről jövő gyosított neutrális részecskékkel (deutérium)A fúziós reaktornak sokkal jobb a biztonsága mint a fissziósnak. A mágneses módon

összetartott plazma csak szigorú feltételek között marad meg. Ha bármelyik rendszer felmondja a

szolgálatot (pl. a toroidális mégneses erő, vagy túl sok tüzelőanyag kerül a tóruszba), a plazmamagától megszünik, azaz nagyon gyorsan elveszti energiáját, hamarabb, minthogy megérintse(és felolvassza) a tórusz belső falait. Így a fúziós reaktornak inherens biztonsága van.

Hol tartunk ma?

Jelenleg a mágneses összetartás elvén működő berendezések járnak közelebb a célhoz. Maszámos nagy, elsősorban tokamak típúsú berendezés üzemel a világban. A tudósok aköltségvetéstől függően 30 – 50 év múltán látják a fúziós reaktort megvalósíthatónak. Ennekszempontjából az eddigi legfontosabb eredményeket az alábbiakban lehet összefoglalni:

•

A f űtési teljesítmény 60 százalékának (Q=0.6)

5

megfelelő fúziós teljesítményt elértékD-T plazmában. (JET, Európai Unió)• D-D plazmában elértek olyan körülményeket, amelyeknél D-T plazma várhatólag Q=1

energiamérleget adna. (JET, Európai Unió)• Elkészültek az ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) mérnöki

tervei (1998), de a megépítését a becsült 10 milliárd dolláros költség miattelhalasztották. Ez a berendezés a tervek szerint képes lenne termonukleárisan égő plazma fenntartására.

• Európai-Japán-Orosz együttműködésben folyik egy redukált költségvetésű ITERtervezése. A cél egy nem égő, de Q=10 energiamérlegű berendezés létrehozása.

A szabályozatlan fúzió

A szabályozatlan fúzió – akárcsak a szabályozatlan fisszió – rövid idő alatt nagymennyiségű energiát szabadít föl. A reakció megvalósítása egyedül a hidrogénbombábannevezhető sikeresnek, ahol azonban nem szabályozott keretek közt megy végbe. Abeindulásához szükséges hőmérsékletet egy "közönséges" atombomba biztosítja.

KÉPA hidrogénbomba háromlépcsős fegyver(hasadás-fúzió-hasadás). A gyújtást TNT töltetek

felrobbantásával valósítják meg. A robbanás elegendő urán 235-öt nyom össze ahhoz, hogyellenőrizhetetlen láncreakció induljon meg. Az atomrobbanás redkívül magas hőmérsékletet idézelő és megindítja a neutronáramot. A magas hőmérséklet és a neutronáram a középen elhelyezettlítium- és deutérium-atomokra hat. A lítium tríciummá alakul, és ez a deutériummalösszekeveredve plazmává alakul.

A plazmarészecskék termonukleáris reakció folyamán közvetlenül héliummá egyesülnek, seközben újra neutronok szabadulnak fel. Ezek a neutronok a bomba belső burkolatánakütköznek, amely 238-as uránból áll és ezáltal hasadási reakciót indítanak el.

Az első kísérleti hidrogénbombát 1951 májusában robbantották fel. Az elméletek kísérletimegvalósítása elsősorban Teller Ede nevéhez f űződik, őt tekintik a hidrogénbombaatyjának.1952. november 1-én vezető amerikai magfizikusok egy csoportja Teller Edeirányításával az Eniwetok-atoll szigetegyüttes egyik korallszigetén begyújtotta az első termonukleáris bombát. A 10 megatonna robbanóerejű bomba eltüntette a korallszigetet a

térképről (a bomba szabaddá váló energiája kb. 700 Hiroshima-bomba energiájának felelt meg).4 Önmagában egyik módszer sem elegendő a plazma felmelegítésére, ezért általában kombinálják őket.5 Q-val a fúziós teljesítménynek és a külsö fütési teljesítménynek az arányát jelöljük



Fúzió hatalmas méretekben

Egy csillag belsejében vannak megfelelõ körülmények arra, hogy automatikusanbeinduljon egy energiatermelõ láncreakció és a csillag már csak tömegénél fogva sem tud igenheves láncreakciót folytatni, így nem képes hirtelen robbanni. Kezdetben a csillag helyén

örvénylő gázfelhő van, amelyben megjelennek kisebb csomók. Ezek az ideiglenestömegközzéppontok vonzzák a környéken lévő anyagot, és mind sűrűbbek és sűrűbbek lesznek.Amikor elérik a pár millió fokos hőmérsékletet és a pár száz atmoszférányi nyomást, beindulhata csillagok anyagában döntő többségben lévõ hidrogénmagok fúziója, így a csillag megszületik.Ez a fúzió okozza a csillag kifényesedését, valamint az energiatermelés okozza a csillagméretének megnövekedését. Ez a fúzió sokáig eltarthat, a csillag tömegétõl függõen pár százezerévtõl több milliárd évig. Ebben a folyamatban a csillag hidrogén-anyagának legalább 80 %-afúzionál héliummá. Ha a csillag kb. azonos tömegű a Nappal, akkor hidrogénkészletének feléléseután már nincs mivel fúzionálnia, így a csillag felületét eddig fenntartó energiatermelésmegszűntével a csillag összeroskad. A hirtelen összerohanó anyag viszont a csillagközéppontjában hirtelen megnöveli a nyomást és a hõmérsékletet. Ezek a megnövekedettkörülmények viszont eredményezik a csillag felrobbanását és az eddigi hélium-hidrogén burokledobását. (Nóva-robbanás) Ez történik majd a Nappal élete végén. A maradék egy fúzionálisszempontból halott "fehér törpe".

Ha csillag ennél nagyobb és kb. 10 Nap-tömegű, akkor elegendõ anyaga van ahhoz, hogyez a robbanás ne következzen be, hanem a héliummagok is képesek lesznek fúzionálni. Igy akövetkezõ kifényesedéskor a hélium-magok lítiummá olvadnak össze. Ez már kevesebb ideigtart, mint az elõzõ életciklus. De ha elfogy ez az üzemanyag is, akkor a magok egy újabbösszeomlás-kifényesedés ciklus után tovább fúzionálnak szénné, oxigénné, illetve nitrogénné.Egy újabb összeomlás-kifényesedés során a magok tovább fúzionálnak vassá. Ez az atommag alegstabilabb energiaszerkezettel rendelkezik, így a magok nem tudnak tovább fúzionálni. Ekkor

következik be a minden eddigit felülmúló robbanás, amikor a vasmagok tovább fúzionálnak ésaz összes létezõ nehezebb atom egyszerre létrejöhet. (szupernóva-robbanás) A csillag fényességeekkor több milliószorosára is növekedhet pár nap alatt és gyakorlatilag az összes anyagátledobja.



KÖRNYEZETSZENNYEZÉS

Az lakosságot folytonosan éri természetes eredetű sugárzás, amelynek forrásai az űr ésmaga a Föld. A kozmikus sugárzást a légkör csökkenti, így a tengerszinten 1 m 2 felületen márcsak 200 részecske halad át másodpercenként. A földkérgi sugárzást a természetes radioaktív

anyagok adják, amelyek állandóan jelen vannak a környezetünkben (talaj, építőanyag, levegő) ésa szervezetünkben. A testünket felépítő atomok közül óránként közel 16 milliónyi bomlik el. Asugárzó részecskék és fotonok olyan óriási mennyiségben keletkeznek a környezetünkben és aszervezetünkben, hogy minden másodpercben átlagosan 75.000 éri a testünket. Az ezektől eredő külső és belső sugárterhelés végigkíséri az egész életünket. Ennek értelmében túlzás nélkülállíthatjuk, hogy a természetes sugárzás nem jelent veszélyt az emberre, sőt az élet természetesvelejárója. Az ENSZ Atomsugárhatásokat Vizsgáló Tudományos Bizottságának egy 1988-asfelmérése szerint a Föld lakossága természetes forrásokból évente 2,4 mSv sugárterhelést kap.

A múlt század legvége óta a természetes sugárzáson felül az emberiséget mesterségesforrásokból származó sugárterhelés is éri. A következő táblázatban bemutatjuk a Földnépességének kollektív (összesített) sugárterhelését mesterséges forrásokból. A kollektív dózisvalamely konkrét sugárforrástól eredő, egy adott embercsoportra számított sugárterhelés. Ezt acsoport létszámának és az adott létesítménytől származó, egy f őre jutó átlagos sugárterhelésnekaz összeszorzása útján kapjuk. Mértékegysége a személy*Sv.

A sugárzás forrása Személy*Sv

Orvosi besugárzásból 2.000.000Atomrobbantások leülepedő hulladékából 50.000Világító számlapú óráktól 2.000

Nukleáris ipar foglalkoztatási 5.000Nukleáris ipar lakossági 1.000

A mesterséges forrásokból származó összes sugárterhelésünk kevesebb a természeteseredetű évenkénti sugárdózisunk 20%-ánál. Ennek a legjelentősebb összetevő je a sugárforrásokorvosi alkalmazása (röntgen), amelyek révén évente átlagosan 0.4 mSv sugárterhelést kapunk. Amesterséges sugárterhelésünk mintegy 97%-át adja az orvosi besugárzás. Világszerte végzettmérések szerint az atomenergetikai ipartól származó kollektív lakossági sugárterhelés(beszámítva a csernobili katasztrófát is) kisebb, mint a Föld lakosságának világító számlapúóráktól származó sugárterhelése! S ezen utóbbi dózis csupán 2,5-szer kisebb a világ nukleáris

energiatermelésének tulajdonítható kollektív foglalkozási sugárterhelésnél (az uránbányászok, azurándúsító üzemek és az atomerőművi dolgozók együttes munkahelyi sugárdózisánál).Az atomreaktorok balesete során már nagyobb a veszély, viszont ennek az bekövetkezési

valószínűsége kicsiny. Jelen ismereteinket és a jelenlegi biztonsági berendezéseket alapul véve500 üzemelő reaktorban legfeljebb 2000 évente fordulhat elő egyetlen súlyos baleset.

Atomhulladékok

Reprocesszálás

A reprocesszálómű olyan üzem, ahol a kiégett f űtőelemeket újrahasznosítják. Ez a bennük

maradt U-235, Pu-239 és Pu-241 hasadóanyagok újrahasznosításából áll. Ez a művelet nehéz ésveszélyes, mivel nagy aktivitású anyagokkal kell dolgozni.



A f űtőelemeket feldarabolják, és salétromsavban feloldják. Ehhez TBP (tributil-foszfát)nevű extrahálószert kevernek (valamilyen szerves oldószerben, pl. kerozinban feloldva). A TBP-molekula magához köti az urán- és a plutóniumatomokat. A szerves oldat sűrűsége kisebb, minta salétromsavasé, ezért a keverés abbahagyása után magától elkülönül. A további lépésekbenUO2-dá és PuO2-dá alakítják őket.

A hulladék tárolása

Az radioaktív hulladékot veszélyessége szerint három kategóriába soroljuk:1. Gyengén radioaktív – laboratóriumi hulladékok, oldatok, szűrők, ruhadarabok. Ezeket

lepárlással besűrítik, majd összepréselik vagy elhamvasztják. Ezután hordókba teszik,és becementezik.

2. Közepesen aktív – pl. az üzemanyagrudak feldarabolt fémhüvelyei. Ezeket is elegendő hordókba tenni és becementezni

3. Erősen radioaktív – salétromsavban oldott hasadási termék. Ezt besűrítik, majd1150°C-on üvegporral olvasztják össze. Az üvegnek sok előnye van: hőálló, jól tűri asugárzást, és nem oldódik: biztonságosan magába zárja a radioatív atomokat. Ezután

vastag rozsdamentes acélból készült hordókba töltik őket.A radioaktív hulladékot tartalmazó hordókat azután úgy hell elhelyezni, hogy sokáig

megbízhatóan el legyen zárva a külvilágtól. Olyan geológiai képződményeket kell keresni,amelyek a földtörténeti korokon keresztül változatlanok maradtak. Ilyenek például akősótömbök, amelyek magas sűrűsége megakadályozza a radioaktív anyagok kijutását atermészetbe. A hulladékot többszörös túlbiztosítással helyezik el a földkéregben. A radioaktívanyagok így visszakerülnek oda, ahonnan az uránércet a folyamat elején kinyertük.

Az erősen radioaktív hulladéknak az a f ő baja, hogy nagyon sokáig sugároz (gondolunk itta plutóniumra és a távoli transzuránokra). Kutatások folynak abban az irányban, hogy az illető atomot egy másik, gyorsabban bomló atommá alakítsák át. Ezt az eljárást transzmutációnaknevezik, minek során az illető atomot erős neutronsugárzásnak teszik ki, mitől az gyorsan bomlóizotóppá alakul. Így elérhetjük azt, hogy 30 év alatt a hulladék aktivitása az eredetileg felhasználturán szintjére csökken.



FORRÁSOK1. SH atlasz – Fizika, Springer Hungarica Kiadó, 19932. SH atlasz – Atomfizika, Springer Hungarica Kiadó, 19953. Egyetemes Guinnes Enciklopédia, Pannon Könyvkiadó, 19924. A Marslakók érkezése, Marx György, Akadémiai Kiadó, 2000

5. MI MICSODA – Atomenergia, Tessloff és Babilon Kiadó, 19926. http://www.jaky.sulinet.hu/ATOM/ATOM1.HTM 7. Élet és Tudomány http://www.eletestudomany.hu/ 8. A Paksi Atomerőmű Rt. http://www.npp.hu/ 9. http://www.rmki.kfki.hu/plasma/fusion/fuzbev/ 10. http://berzsenyi.tvnet.hu/tanszek/szam/gurdon/szakdolgozat/fuzio/



TARTALOM

BEVEZETŐ ..................................................................................................... 1

A RADIOAKTIVITÁS ................................................................................... 2

AKTIVITÁS ÉS DÓZIS ......................................................................................................................... 2ALKALMAZÁS.................................................................................................................................... 3

A FISSZIÓ ....................................................................................................... 4A MAGHASADÁS – FISSZIÓ................................................................................................................ 4A LÁNCREAKCIÓ ............................................................................................................................... 4A SZABÁLYOZATLAN LÁNCREAKCIÓ............................................................................................... 5A SZABÁLYOZOTT LÁNCREAKCIÓ ................................................................................................... 5DÚSÍTÁSI ELJÁRÁSOK ....................................................................................................................... 6ATOMERŐMŰVEK ............................................................................................................................. 7FORRALÓVIZES REAKTOR................................................................................................................ 7

NYOMOTTVIZES REAKTOR............................................................................................................... 7KÖNNYŰVIZES REAKTOR ................................................................................................................... 7NEHÉZVIZES REAKTOR ....................................................................................................................... 8GÁZHŰTÉSŰ REAKTOROK ................................................................................................................ 9TENYÉSZTŐREAKTOR....................................................................................................................... 9BIZTONSÁG...................................................................................................................................... 10MÉRNÖKI GÁTAK ............................................................................................................................. 10BELSŐ BIZTONSÁG ........................................................................................................................... 11BALESETEK ..................................................................................................................................... 11THREE MILES ISLAND ...................................................................................................................... 11CSERNOBIL ....................................................................................................................................... 12ATOMMEGHAJTÁSÚ JÁRMŰVEK .................................................................................................... 13

ATOMJÉGTÖRŐK ÉS ANYAHAJÓK ..................................................................................................... 13ATOMTENGERALATTJÁRÓK ............................................................................................................. 13

A FÚZIÓ ........................................................................................................ 14A MAGFÚZIÓ.................................................................................................................................... 14TEHETETLENSÉGI (INERCIÁLIS) FÚZIÓ ............................................................................................. 14MÁGNESES FÚZIÓ ............................................................................................................................. 15HOL TARTUNK MA? ........................................................................................................................ 16A SZABÁLYOZATLAN FÚZIÓ ........................................................................................................... 16FÚZIÓ HATALMAS MÉRETEKBEN ................................................................................................... 17

KÖRNYEZETSZENNYEZÉS ..................................................................... 18ATOMHULLADÉKOK ....................................................................................................................... 18REPROCESSZÁLÁS ............................................................................................................................ 18A HULLADÉK TÁROLÁSA .................................................................................................................. 19

FORRÁSOK .................................................................................................. 20

TARTALOM ................................................................................................. 21

Documents

Soti Gergely - Atomerőművek _tanulmány, 2002, 24 oldal_