Paksi Atomerőmű II. a reaktortól a konnektorig
2013/3. lapszám | Dr. Czibolya László | 5682 |
Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Amíg van, addig nem gondolunk rá, fontossága akkor válik nyilvánvalóvá, mikor nem jutunk hozzá, amikor bekövetkezik az áramszünet. Akár nappal van, akár éjjel, a villamos energia rendet tart életünkben. Hatással van munkánkra, időbeosztásunkra és még szórakozásunkra is. Körülöttünk szinte minden árammal működik. Nélküle a benzinkutak nem működnének, az üzletek pénztárgépei leállnának, az éttermek konyháiban nem tudnának főzni. Ennek a villamos energiának közel negyven százalékát Magyarországon a paksi atomerőmű négy reaktorában állítják elő.
A Nemzetközi Atomenergia Ügynökség adatai szerint jelenleg a világ 30 országában 436 energetikai reaktor működik, amelyek összes beépített villamos teljesítménye 371 503 MW. További 67 reaktor van építés alatt. Az atomerőművek fontos szerepet játszanak a kedvezőtlen klímaváltozás megakadályozásában, mert gyakorlatilag nem bocsátanak ki üvegházhatást okozó szén-dioxidot.
Az Amerikai Egyesült Államokban a szén- dioxid-mentes villamosenergia-források között 2011-ben az atomenergia 63,3%, a vízenergia 25,7%, a megújulók pedig (szél, nap, geotermikus) 11% részarányt képviselt a termelésben. Ezek az arányok az Európai Unióban a következőképpen alakultak: atomenergia: 60,7%, vízenergia: 23,5%, megújulók: 15,8%. Az atomerőműben termelt villamos energia nemcsak légkörkímélő, hanem gazdaságos is. A Paksi Atomerőmű az elmúlt évben 12,28 forintért termelt egy kWh villamos energiát. Az ország energiaellátása szempontjából fontos tényező, hogy a nukleáris fűtőanyag rendkívüli energiasűrűségének köszönhetően a friss üzemanyag tárolása kis helyet igényel, és nem okoz gondot akár kétévi üzemanyag elhelyezése sem. Ez pedig sokat jelent az energiaellátás megbízhatósága szempontjából, hiszen az atomerőmű nincs kitéve az üzemanyag akadozó szállításának vagy szezonális ingadozásainak.
Maghasadás
Az atomreaktor a nukleáris erőmű központi berendezése, amelyben a hőt maghasadás termeli. Ellentétben a hagyományos fűtőanya- gokkal (szén, olaj, gáz stb.), amelyek energiájukat kémiai folyamatban (oxidáció) szabadítják fel, a nukleáris energiatermelés fizikai magreakció eredménye. A reakció úgy zajlik, hogy a hasadó- képes urán-235 izotóp atommagja befog egy lassú (termikus) neutront, majd két kisebb magra bomlik. Eközben felszabadul 1-3 gyors neutron is. Így a maghasadás több neutront kelt, mint amennyit elhasznál, és az egész folyamat önfenntartó lesz. Ezt nevezik láncreakciónak (2. ábra).
A hasadványok igen sokfélék lehetnek: ma 35 elem mintegy 200 izotópját ismerjük, ami az urán hasadási terméke lehet. 1 db U-235 elhasadásakor kb. 200 mega-elektronvolt (MeV) =3,2x10 -17 J energia szabadul fel. A hasadást követően a szétrepülő hasadványok ütköznek a körülöttük lévő atommagokkal, és mozgási energiájuk hővé alakul. A maghasadás nagyon koncentrált energiaforrás. Az atomreaktorban lévő 1 kg urán hasadásakor keletkező energia egyenértékű 45 000 kg fa, 22 000 kg szén, 15 000 kg olaj vagy 14 000 kg cseppfolyós gáz elégetésekor kapott energiával.
Nukleáris fűtőelem
Az urán a periódusos rendszer 92. eleme, természetes oxidját már az ókorban is ismerték és sárga színezőanyagként használták. Felfedezését a német kémikusnak, Martin Heinrich Klaprothnak tulajdonítják (1789), nevét pedig az Uránusz bolygóról kapta. Az urán elszórtan az egész földkéregben megtalálható. Átlagos koncentrációja 3-5 gramm/tonna (3-5 ppm), de bányászatra csak azok a lelőhelyek alkalmasak, ahol ennél legalább három nagyságrenddel magasabb az urán koncentrációja.
Legfontosabb érce az urán-szurokérc, amely jellemzően 0,5-0,8% (5- 8 ezer ppm) uránt tartalmaz. Bányásznak 0,1-0,25% urántartalmú ércet, és előfordul (Kanadában) több tíz százalék urántartalmú érc is. A Föld uránkészletének 30%-a Ausztráliában, 13%-a Kazahsztánban, 9-9%-a Oroszországban és Kanadában található. A gazdaságosan kitermelhető uránkészletek nagyságát kb. 5,3 millió tonnára becsülik. A jelenlegi 68 ezer tonna éves felhasználást figyelembe véve ez a készlet 80 évig biztosan elegendő lesz. Ezen felül a technológiailag kitermelhető készletet további 7 millió tonnára becsülik, amely az uránellátást 190 évre biztosítja. Az urán bányászatának két alapvető technológiáját alkalmazzák. A hagyományos ércbányászat során felszínre hozott kőzetet zúzzák és aprítják. Ezt követően az uránt erős savakkal a kőzetből kioldják, és az oldatból az U3O8-at kiülepítik, szárítják és csomagolják. Ezt az uránoxidot nevezik sárga pornak is (yellow cake). A másik módszer szerint az uránt tartalmazó kőzetbe préselt oldattal kioldják az uránt, amelyet azután ioncserélőkkel leválasztanak.
A természetes uránnak csak a 235 tömegszámú izotópja hasad lassú neutronok hatására, a természetben előforduló urán viszont ebből az izotópból mindössze 0,72%-ot tartalmaz, ezért atomerőműben történő felhasználáshoz az uránt dúsítani kell. Izotópdúsítás előtt általában az uránfeldolgozás eredményeként kapott uránoxidot illékony gázzá (UF6) alakítják át, és ebben gázdiffúziós módszerrel vagy centrifugálással kis lépésekben növelik az U-235 izotóp arányát. A dúsítási folyamat megvalósítása bonyolult technológiát, különleges berendezéseket és sok villamos energiát igényel. A hasadóanyagok ellenőrzésén túlmenően az atomfegyverek elterjedésének megakadályozását szolgálja, hogy az izotópdúsításra alkalmas anyagok és berendezések kereskedelmét nemzetközi ellenőrzési megállapodások szabályozzák. Atomerőművekben történő alkalmazáshoz a nukleáris üzemanyagban az U-235 arányát 3-5%-ra kell csak dúsítani, ami nem elegendő atomfegyver előállítására. Az uránból készített atombombában az U-235 dúsításának mértéke eléri vagy meghaladja a 85%-ot, de már 20%-ra dúsított uránból lehet kevésbé hatékony nukleáris fegyvert készíteni.
A szükséges mértékben feldúsított urán- hexafluoridot több lépésben urán-dioxiddá alakítják, amit egy szinterezésnek hívott porkohászati eljárással pasztillákká préselnek. A paksi atomerőműben a pasztillák átmérője 7,6 mm, magasságuk 9 mm, közepén 1,6 mm átmérőjű furat található, amely helyet biztosít a gáznemű hasadványoknak és korlátozza a fűtőanyag maximális hőmérsékletét. Ezeket a pasztillákat cirkónium-nióbium ötvözetből készült, 2,5 m hosszú, 9 mm külső átmérőjű hermetikusan lezárt üzemanyagpálcákba töltik. A pálcák burkolata megakadályozza a hasadványok kikerülését a hűtővízbe. A fűtőelem-pálcákat kazettákba kötegelik, 126 pálca alkot egy hatszög alakú kazettát, amelyek laptávolsága 14,4 cm. Az aktív zónában összesen 349 kazetta fér el, ebből az üzemanyagkötegek száma 312, a többi 37 szabályozó és biztonságvédelmi kazetta.
A reaktortól a konnektorig
A maghasadás során felszabaduló energia hasznosítására szolgál az atomreaktor. Bár számos típusa ismeretes, közös alkotórészük a nukleáris fűtőanyag, a hűtőközeg, a szabályozó rudak és a neutronok lassítását végző moderátor.
A paksi atomerőműben lévő reaktor teljes magassága 13,75 m, külső átmérője 3,84 m, anyaga acél. A reaktortartály falvastagsága 14 cm, belülről pedig 9 mm vastag rozsdamentes acél bevonattal van ellátva a korrózióvédelem céljából.
A reaktorban hűtőközegként nagynyomású vizet használnak, amely kettős feladatot lát el, egyrészt lelassítja a gyors neutronokat, másrészt hat zárt hurokban keringve a fűtőelemektől elvitt hőt egy speciális hőcserélőben (gőzfejlesztő) adja le. Ezek a hurkok alkotják a primer kört. A hurkok azonos felépítésűek, az egyikhez azonban a primer köri nyomás szabályozására szolgáló kiegyenlítő tartály (térfogat-kompenzátor) is csatlakozik. A reaktorba belépő víz hőmérséklete mintegy 275 °C, melyet a nukleáris reakció körülbelül 315 °C-ra melegít fel. Atmoszférikus nyomáson a víz ilyen hőmérsékleten gőzfázisban lenne; hogy ezt elkerüljék, a vizet nagy nyomás alatt tartják (125 bar). Ezáltal az aktív zónából kilépő hűtőközeg (víz) hőmérséklete az alkalmazott nyomáshoz tartozó telítési hőmérséklet alatt marad, így nem tud gőzzé alakulni. A gőzfejlesztő egy 3,2 m átmérőjű, 12 m hosszú, fekvő henger alakú hőcserélő. A primer köri víz a gőzfejlesztőben 5536 db 16 mm átmérőjű fűtőcsövön áramlik át, és felforralja a gőzfejlesztőben lévő inaktív szekunder köri vizet. A lehűlt hűtőközeget a fő keringtető szivattyú juttatja vissza a reaktorba. Minden hűtőkör külön lezárható két főelzáró tolózár segítségével.
Minden blokkhoz 1 db térfogat-kompenzátor tartozik, amely az egyik hurok meleg ágához csatlakozik. A térfogat-kompenzátor egy álló elrendezésű tartály, melynek alsó részében víz, felette pedig gőzpárna található. A primerköri nyomás szabályozása úgy történik, hogy a nyomás növekedése esetén hideg vizet fecskendeznek a térfogat-kompenzátor gőzterébe. Ekkor a gőz egy része kondenzálódik, és a nyomás csökken. Ha a nyomás ennek ellenére is tovább nő, nyitnak az ún. biztonsági lefúvató szelepek, amelyeken keresztül a gőz egy része egy külső tartályba juthat. Ha a primer körben a víz nyomása csökken, a térfogat-kompenzátorban lévő villamos fűtőpatronokkal melegítik a vizet, ami intenzív forrást és gőzképződést okoz, ez pedig a nyomás növekedését eredményezi.
A szekunder körben történik a reaktorban megtermelt hő átalakítása mozgási, majd villamos energiává. A gőzfejlesztőben lévő 70 bar nyomású vizet a csövekben áramló primer köri víz felforralja. A keletkező gőzből a nedvességet cseppleválasztó zsaluk távolítják el, mert a turbinalapátok tönkremennének a vízcseppektől. A gőzfejlesztőből óránként 490 tonna gőz áramlik a turbinára, ahol mozgási energiája meghajtja a turbina lapátjait. Eközben a turbinával egy tengelyen lévő generátorban villamos áram keletkezik. Egy blokkhoz két turbina tartozik, ami azt jelenti, hogy három gőzfejlesztő táplál egy turbinát. A gőz először a turbina hatfokozatú nagynyomású házába kerül, ahol hőmérséklete 140 °C-ra csökken. Mielőtt a gőz tovább folytatná útját a két kisnyomású házba, egy cseppleválasztó és túlhevítő berendezésben eltávolítják belőle a turbinára káros vízcseppeket, és a telítési hőmérséklet fölé melegítik. A gőz munkavégzését a két, 5-5 fokozatú kisnyomású házon keresztülhaladva fejezi be, és a kondenzátorba jut, ahol csaknem 11 ezer csőben a Dunából kivett hűtővíz áramlik. A hűtőcsöveken a gőz a kb. 25 °C-os hőmérsékleten lekondenzálódik. Minden kisnyomású turbinaházhoz két kondenzátor-modul csatlakozik, amelyekben gyakorlatilag vákuumot (0,035 bar) tartanak fenn.
A körfolyamat úgy zárul, hogy a kondenzátorban összegyűlt vizet különböző tisztító és előmelegítő berendezéseken keresztül a tápszivattyúk visszajuttatják a gőzfejlesztőbe. A jobb hatásfok elérése érdekében végzett előmelegítés a turbina-megcsapolásokon keresztül elvett gőzzel kilenc hőcserélőben történik. Ennek eredményeként a kondenzátorból 25 °C-on kilépő víz hőmérséklete kb. 225 °C-ra növekszik. A tápvíz ezen a hőmérsékleten lép be a gőzfejlesztőbe, ahol újra átveheti a primer köri víz hőjét.
A reakció úgy zajlik, hogy a hasadóképes urán-235 izotóp atommagja befog egy lassú (termikus) neutront, majd két kisebb magra bomlik. Eközben felszabadul 1-3 gyors neutron is. Így a maghasadás több neutront kelt, mint amennyit elhasznál, és az egész folyamat önfenntartó lesz. Ezt nevezik láncreakciónak.
