Figylem! Ez a cikk 22 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A Paksi Atomerőmű, működési elvét tekintve, hasonló módon szolgáltat energiát, mint a többi, valamilyen fosszíliát (szén, kőolaj, földgáz stb.) elégető erőmű: a döntő mozzanat az, hogy meghatározott paraméterekkel rendelkező gőzt állítanak elő, amely a turbinák mozgatásával hoz létre végső lépésben villamosenergiát. A lényegi különbség pedig az, hogy a gőz létrehozása az atomerőműben nem kémiai reakción, hanem magfizikai folyamaton, hasadási láncreakción alapul. Pontos elnevezése szerint itt nukleáris gőzfejlesztő rendszer működik.
A maghasadási folyamatot a múlt század harmincas éveinek végén fedezték fel. A fizikusok arra figyeltek fel, hogy neutronsugárzás hatására az uránatom magja két magra esik szét. Ezek a létrejövő „izotópok” ráadásul energetikailag kedvezőbb állapotba jutnak a hasadás eredményeképpen, azaz több energia szabadul fel, mint amennyi a hasításhoz szükséges. Az U-235-ös izotópja bizonyult a legmegfelelőbbnek, ma ezt használják fel az atomerőművek többségében. Összehasonlításképpen: Magyarország éves elektromos energia fogyasztása kb. 40 000 GWh. Ennyi energia felszabadulásához 19 t tiszta U-235 elhasadása szükséges, s pontosan ennyi energiát kapunk 2,5 milliószor ennyi feketeszén elégetésével. A maghasadás során a két hasadványmagon kívül néhány – U-235 esetén átlagosan 2,4 – neutron is kilép. Könnyen adódik a nukleáris láncreakció alapgondolata: a maghasadásból újonnan kilépő neutronok újabb maghasadásokat idéznek elő, természetesen újabb energia felszabadulásával együtt. Ekkor tehát már külső neutronforrás nélkül is önfenntartóvá válik a folyamat. Ehhez az önfenntartáshoz szükség van olyan anyagokra, amelyek a neutron sebességét a megfelelő szintre csökkentik és szinten tartják. Ezeket moderátoroknak hívják, ilyen például a víz (H2O), a nehézvíz (D2O), vagy a grafit (C). A neutronok számát a láncreakció során szabályozni szükséges, mert az szabja meg az elkövetkező maghasadások számát, és így a felszabaduló energia mértékét is. A szabályozás sok komponenstől függ, a leghatékonyabbak azok az anyagok, amelyek nagy valószínűséggel elnyelik a neutronokat, s így korlátozzák a láncreakciót is. Az atomreaktorban nagy mennyiségű hasadóanyag felhasználásával szabályozott láncreakciót valósítanak meg. A maghasadás során felszabaduló energia legnagyobb részét a hasadványmagok viszik el mozgási energia formájában, melyek az üzemanyag többi atomjával ütközve energiájukat vesztik. Ez az energia hő formájában jelentkezik, amit a hűtőközeg segítségével vezetnek el. Az egyes reaktortípusokat többek között az alapján különböztetik meg, hogy moderátornak és hűtőközegnek milyen anyagot alkalmaznak. Pakson 4 darab, VVER-440/213 típusú reaktor működik. Ezek nyomott vizes reaktorok, azaz bennük a hűtőközeg magas nyomáson tartott könnyű víz, és ez egyben a moderátor is. A 440-es szám az atomerőműi blokk névleges villamos teljesítményére utal, ez 440 MW. Mára ez a teljesítmény az első három blokkon 460, a 4. blokkon 470 MW-ra nőtt. A paksi atomerőmű elektromos összteljesítménye így 1850 MW. A reaktorok hőteljesítménye egyenként 1375 MW, ebből kiszámolható a hatásfok: kb. 34%. Az atomreaktor aktív zónája a láncreakció színhelyének tekinthető reaktortartályban található, melynek magassága 13,75, külső átmérője 3,84 méter. Az aktív zóna szintjén falvastagsága 14 cm, belülről pedig egy 9 mm-es rozsdamentes acélbevonattal van ellátva.
A reaktor üzemanyaga urán-dioxid (UO2), amit kb. 9 mm magas, 7,6 mm átmérőjű hengeres pasztillákká préselnek. Az uránpasztillákat egy cirkóniumötvözetből készült, 2,5 m hosszú, 9 mm belső átmérőjű csőbe helyezik, amit feltöltenek héliumgázzal, és ezután hermetikusan lezárnak. Ez a burkolat megakadályozza a hasadási termékek kikerülését a hűtővízbe. Az üzemanyag-tabletta és a burkolat együtt testesíti meg az un. fűtőelempálcát. Üzem közben ennek belsejében 1600-1700 °C hőmérséklet uralkodik. Mivel a több tízezer fűtőelempálca egyenkénti mozgatása, cseréje gyakorlatilag megoldhatatlan, a fűtőelemeket kötegekbe foglalják. A VVER-440-nél a fűtőelemkötegek (kazetták) hatszöges keresztmetszetűek és egyenként 126 fűtőelemet tartalmaznak. Az aktív zónában összesen 349 kazetta fér el, ebből az üzemanyagkötegek száma 312. Ezen kívül 37 db abszorbensrudat helyeztek el a szabályozás elősegítésére. Az üzemanyag-mennyiség fémuránban számolva 42 tonna, ennek kb. egyharmada fogy el egy üzemi ciklus alatt, amely 300 napot ölel fel.
Az atomerőmű központi egységében, a reaktortartályokban hűtőközegként cirkuláltatott vizet el kell szállítani: ennek a kilépő közegnek a hőmérséklete 300 °C körül található. Nyilvánvaló, hogy ez a magas hőmérséklet normál nyomáson nem volna tartható: a szükséges 125 bar túlnyomást szivattyúkkal oldják meg. Pontosabban egy tágulási tartály található az egyik hűtőkörön, amelyben kétfázisú közeg van: alul 325 °C-os, telített állapotú víz, fölötte pedig gőz helyezkedik el. A kazetták felépítése olyan, hogy átjárhatóak hosszirányban a víz számára, vagyis az urántablettákat tartalmazó pálcák falával érintkezik a víz: így lesz a 270 °C-ból 300 °C-os folyadék. Az áramlás alulról felfelé történik. Fontos kiemelni, hogy a hűtőközeg nem érintkezik üzemanyag-tablettával, ezek a kazetták hermetikusan zártak. A magas hőmérsékletű víz egy fél méter átmérőjű vezetéken keresztül belép egy hőcserélőbe, amit gőzfejlesztőnek neveznek. Ez egy 2,3 m átmérőjű, 12 m hosszú tartály. Itt a hőcserélő köteg oldalán már az a gőz jelenik meg, amely direkt úton a turbinához kerül. A reaktortól érkező – radioaktív elemeket is tartalmazó – primer körinek nevezett víz a gőzfejlesztőben 5536 db, 16 mm átmérőjű fűtőcsövön áramlik át, így forralva fel a gőzfejlesztőben lévő, úgynevezett szekunder köri vizet. A gőzfejlesztőben a víz falon keresztüli hőátadás során veszít hőmérsékletéből. A hőcserélőből kilépő primer köri víz mintegy 30 fokot veszít hőmérsékletéből, a főkeringető szivattyúk pedig visszajuttatják hideg oldalon a reaktorba. A „hurkot” áttekintve: reaktortartály, melegági fővezeték, gőzfejlesztő, hidegági fővezeték, főkeringető szivattyú, reaktortartály. Mindkét ágon egy-egy tolózár található, amelyek biztosítják a vezetékek leválaszthatóságát a reaktorról. Egy reaktorhoz hat ilyen hurok tartozik.
Mivel a több tízezer tütöelempálca egyenkénti mozgatása, cseréje gyakorlatilag megoldhatatlan, a fűtőelemeket kötegekbe taglalják.
200%-os törésnek nevezik azt az esetet, amikor ez az 500 mm átmérőjű cső teljes keresztmetszetben eltörik. Ez igen veszélyes helyzet, hiszen ilyenkor megszűnhet a reaktortartály hűtése. A kiáramló gőz a hermetikus tér levegőjével együtt átfolyik a lokalizációs toronyba, ahol vízzel töltött tálcákon áramlik át. Eközben a gőz lekondenzálódik, így a hermetikus tér nyomása is csökken. Az itt található sprinkler rendszer pedig bóros vizet porlaszt a hermetikus térbe. A víz lekondenzálja a gőzt, ezzel csökkentve tovább a nyomást. A bórsav azért szükséges, mert ez a víz visszajut a reaktorba, ahol a bór neutronelnyelő képessége segít elkerülni a láncreakció újraindulását. Óránként 42 000 tonna mennyiségű vizet keringetnek a főkeringető ágban, az összmennyiség 300-400 m³. Ezt évente egyszer, a nagyjavításnál leürítik, és teljes egészében megtisztítják, de üzem közben is 5 tisztító áll rendelkezésre reaktoronként. A megállás egy atomerőmű esetében tág fogalom. Lehet gondolni a fent említett nagyjavításra, de vannak esetek, amikor nagyon gyorsan kell megszakítani a folyamatot. A reaktor teljesítményének szabályozása, azaz a neutronrészecskékkel való gazdálkodás két fő módon történhet. Egyfelől, a hűtővízben oldott bór segítségével, hiszen a bóratom nagy valószínűséggel „befogja” a neutronokat, s így, ha növelik a bórkoncentrációt, akkor csökkenni fog a szabad neutronok mennyisége. A VVER-440 típusban a láncreakció szabályozásához a fűtőelem-kötegekkel azonos méretű abszorbens (bóracélból készült) kazettákat használnak, amelyek felülről lógnak be a zónába. A reaktorban összesen 37 ilyen szabályozó és biztonságvédelmi kazetta van, amelyek közül üzem közben 30 állandóan kihúzott állapotban, az aktív zóna fölött helyezkedik el. Ezek az ún. biztonságvédelmi (BV) rudak, amelyekkel a reaktor bármikor biztonságosan leállítható, mintegy 7-8 másodperc alatt. A maradék 7 abszorbens kazettával az üzem közbeni teljesítmény-szabályozást végzik.
A szekunder kör első lépése a gőz útja a turbinához. A gőzfejlesztőben lévő 223 °C-os, 46 bar nyomású vizet a csövekben keringő 300 °C-os primer köri víz 258 °C-ra melegíti, és ezen a hőmérsékleten felforralja. A keletkező gőz nedvességet is magával ragad, így a cseppeket el kell távolítani a gőzből, a turbinalapátok ugyanis tönkremennének a vízcseppektől. Erre szolgálnak a kilépő gőz útjába helyezett cseppleválasztó zsaluk. Ezek olyan terelőlemezek, amelyeken áthaladva a vízcseppek lecsapódnak, így a kilépő gőz nedvességtartalma már alacsonyabb, mint 0,25%. A három-három gőzfejlesztőből kilépő, mintegy 1350 t/h tömegáramú gőz egy-egy turbinára kerül, ahol a gőz mozgási energiáját kihasználva meghajtja annak lapátjait. A turbinában egy tengelyen helyezkedik el egy nagynyomású és két kisnyomású ház, valamint a generátor forgórésze. A turbina nagynyomású háza 6 fokozatú, azaz a gőz expanziója és munkavégzése 6 fokozatban történik. A nagynyomású turbinaházban a gőz hőmérséklete kb. 140 °C-ra csökken, nedvességtartalma pedig 12%-ra nő. Emiatt a kisnyomású házba való belépés előtt az un. cseppleválasztó és gőztúlhevítő berendezésbe kerül, ahol a turbinára káros vízcseppeket eltávolítják belőle, és a telítési hőmérséklet fölé melegítik. A két kisnyomású ház 5-5 fokozatú. A fáradt gőzt viszont vissza kell alakítani vízzé. A szekunder oldalon található hőcserélő nem más, mint a kondenzátor, ennek hűtését pedig a Duna vizével oldják meg 13 ezer csőben. A hűtőcsöveken a gőz kb. 25 °C-os hőmérsékleten lekondenzálódik. Minden turbinaegységhez két kondenzátor tartozik, amelyekben 0,035 bar nyomást (vákuumot) tartanak fenn. (A turbinán a munkagőzt a gőzfejlesztő és a kondenzátor közti nyomáskülönbség hajtja át.) A cseppfolyósodott munkaközeget különböző tisztító és előmelegítő berendezéseken keresztül a szivattyúk visszajuttatják a gőzfejlesztőbe. Az előmelegítésre az erőmű jobb hatásfoka miatt van szükség. Az előmelegítést a turbináról vett gőzzel végzik, melynek során a kondenzátorból kilépő 25 °C hőmérsékletű víz 9 hőcserélőben végezetül 223 °C hőmérsékletűre melegszik fel. A tápvíz ezen a hőmérsékleten lép be a gőzfejlesztőbe, ahol újra átveheti a primer köri víz hőjét. Mintegy 110 m³ mennyiségű vizet emelnek ki a Dunából másodpercenként, s ennyit is engednek vissza. A hideg víz bevezetése csatornán történik, az 1-2. és a 3-4. blokkokat külön szivattyúk látják el, amelyek 3600-as szénacél csöveken keresztül szállítják a vizet.
