Elképesztő
Az atomreaktorok működése: amit mindig is tudni akartál, de féltél megkérdezni
Az első atomreaktor 1942-ben született meg Chicagóban, amely mindössze 45 000 grafittéglából és uránlabdacsokból állt. Azonban az atomenergia fejlődése azóta hatalmas utat tett meg – például a mai modern Paksi Atomerőmű négy reaktora már egyenként 1485 megawatt hőteljesítménnyel működik.
Az atomreaktor működése sokak számára rejtélyes és talán ijesztő téma lehet. Ugyanis sokan nem tudják, hogy a Paksi Atomerőmű révén a környező lakosságot olyan alacsony sugárterhelés éri, ami mellett egészségkárosodás nem léphet fel. Ebben a cikkben részletesen bemutatjuk az atomreaktor belsejét, valamint azt, hogyan alakul át a nukleáris energia villamos árammá, és milyen biztonsági rendszerek védik a környezetet.
Az atomreaktor működésének alapelvei
Az atomreaktor egy olyan berendezés, amelyben nagy mennyiségű hasadóanyag felhasználásával szabályozott láncreakciót valósítunk meg. A reaktor működésének megértéséhez először nézzük meg, mi zajlik a belsejében.
Mi történik az atomreaktor belsejében?
A reaktor aktív zónájában urán-dioxid fűtőanyagban folyik a nukleáris láncreakció. Az üzemanyag 2-3 méter hosszú rudak formájában van jelen, amelyek kötegekbe vannak rendezve – egy köteg akár 100 rudat is tartalmazhat. A Paksi Atomerőműben például az aktív zónát 312 darab üzemanyagkazetta és 37 darab szabályozó és biztonságvédelmi kazetta alkotja.
A maghasadás folyamata egyszerűen
A maghasadást 1939-ben fedezte fel Hahn, Strassman és Meitner. Amikor egy neutron ütközik az urán-235 magjával, a mag két kisebb részre hasad. Ennek során átlagosan 2,47 neutron keletkezik. Ugyanakkor fontos megjegyezni, hogy a természetes urán mindössze 0,7%-a 235-ös izotóp.
Hogyan szabályozzák a láncreakciót?
A neutronok számának szabályozása kulcsfontosságú, mivel ettől függ a létrejövő maghasadások száma és így a felszabaduló energia mennyisége is. A szabályozás két fő módon történik:
- A hűtővízben bórt oldanak fel, mivel a bór erősen neutronelnyelő anyag. A bór mennyiségét úgy állítják be, hogy hasadásonként átlagosan csak kevéssel több mint egy neutron maradjon meg.
- A finomszabályozást az aktív zónába benyúló szabályozó rudakkal végzik. Ezek kadmiumból vagy bórból készülnek, mivel ezek az anyagok kiválóan elnyelik a neutronokat. Ha növelni szeretnék a teljesítményt, kifelé húzzák a rudakat, csökkentéshez pedig beljebb tolják őket.
Mindezek mellett a reaktor biztonságát szolgálja, hogy üzemzavar esetén a szabályozó rudak automatikusan beesnek az aktív zónába, és 12-13 másodperc alatt leállítják a láncreakciót. A neutronok kb. 0,75%-át azonban csak másodpercek múlva adják le a hasadványmagok – ezek az úgynevezett késő neutronok, amelyeknek igen nagy szerepe van a reaktor szabályozhatóságában.
Az energia útja: az atomreaktor belülről
A Paksi Atomerőműben négy nyomott vizes reaktorblokk működik, amelyek két zárt vízkörből állnak: a primer és a szekunder körből. Nézzük meg részletesen, hogyan alakul át a nukleáris energia villamos árammá.
Az üzemanyag útja a reaktorba
Az atomreaktorokban leginkább keramikus uránüzemanyagokat használnak. A természetes urán mindössze 0,7% urán-235-öt tartalmaz, ezért a legtöbb reaktorban dúsított uránt alkalmaznak. A Paksi Atomerőműben az aktív zónát 312 darab üzemanyagkazetta alkotja.
Neutronok szerepe a láncreakcióban
A maghasadás során nagy energiájú neutronok keletkeznek, átlagosan 2 MeV energiával. Azonban ezek a nagy energiájú neutronok csak kis valószínűséggel hoznak létre maghasadást, ezért termikus energiákra (körülbelül 0,025 eV) kell őket lelassítani. Erre szolgál a moderátor, amely a nyomott vizes reaktor esetében közönséges víz.
A hőenergia keletkezése és elvezetése
A primer körben a víz 123 bar nyomás alatt áll, ennek köszönhetően 300 Celsius-fok körüli hőmérsékleten sem forr el. Az atomreaktor által megtermelt 1485 megawatt hőmennyiséget a zárt rendszerben keringő tisztított víz szállítja el a gőzfejlesztőkbe.
A gőzfejlesztőkben a primerköri víz hőátadó csöveken keresztül gőzt fejleszt egy újabb zárt vízkörben, 46 bar nyomáson és 260 Celsius-fokon. A termelt gőzmennyiség óránként 2940 tonna, amely két nagyméretű turbinát tart mozgásban percenként 3000 fordulattal.
A forgó mozgás mechanikai kapcsolódásokon keresztül a generátorokban 15750 volt feszültségű áramot termel. Ez a villamos energia kapcsolóberendezéseken és transzformátorokon keresztül jut az országos hálózatba 120 és 400 kilovolt feszültségszinten.
A munkát végzett gőz ezután a kondenzátorba kerül, ahol csaknem 11 ezer csőben a Dunából kivett hűtővíz áramlik. Itt a gőz kb. 25 Celsius-fokos hőmérsékleten lekondenzálódik. Végül a lecsapódott vizet különböző tisztító és előmelegítő berendezéseken keresztül a tápszivattyúk visszajuttatják a gőzfejlesztőbe. Az előmelegítés során a kondenzátorból kilépő 25 Celsius-fokos víz 9 hőcserélőben 224-225 Celsius-fokra melegszik fel az erőmű jobb hatásfoka érdekében.
Atomreaktor típusok és különbségeik
A világon sokféle atomreaktor típust alkalmaznak az energiatermelésben. Mindegyik típusnak megvannak a maga egyedi jellemzői és előnyei. Nézzük meg részletesen a legfontosabb típusokat.
Nyomottvizes reaktorok működése
A nyomottvizes reaktor (PWR) a legelterjedtebb típus, a világon több mint 300 ilyen reaktor üzemel. Ebben a típusban a fűtőelemeket nagynyomású víz veszi körül, amely kettős szerepet tölt be: egyrészt moderátorként szolgál, másrészt hőcserélőként működik.
A primer körbe belépő víz hőmérséklete 275°C, amelyet a nukleáris reakció körülbelül 315°C-ra melegít fel. A vizet 100-150 bar nyomáson tartják, hogy ne forrjon fel. A primerköri víz a gőzfejlesztőkben adja át a hőt a szekunder köri tápvíznek.
Forralóvizes reaktorok sajátosságai
A forralóvizes reaktor (BWR) egyedi jellemzője, hogy a gőz közvetlenül az aktív zónában termelődik, így nincs szükség külön gőzfejlesztőre. A rendszer 70 bar nyomáson működik, ami lényegesen alacsonyabb, mint a nyomottvizes reaktoroknál.
A zóna felső részében a kétfázisú hűtőközeg tömegének 12-15%-a gőz, ami alacsonyabb moderáltságot és teljesítmény-sűrűséget eredményez. A teljesítmény szabályozása két módon történik: a szabályzórudakkal és a víz keringési sebességének változtatásával.
CANDU és más speciális reaktorok
A CANDU (CANada Deuterium Uranium) reaktor különlegessége, hogy nehézvizet használ moderátorként és hűtőanyagként is. Ez lehetővé teszi a természetes urán használatát üzemanyagként, ami egyszerűsíti az üzemanyag előállítását.
A CANDU reaktorok több előnnyel rendelkeznek: a reaktortartály több száz csővel van keresztüldöfve, amelyekben az üzemanyagrudak külön-külön elérhetők, így lehetséges az üzem közbeni üzemanyagrúd-csere. Továbbá, a reaktortartálynak nem kell nyomástűrőnek lennie, mivel a moderátor csak a keresztirányú csövekben van nagy nyomás alatt.
Egyéb speciális típusok között találhatók még a grafit moderátoros reaktorok, a gázhűtésű grafitos reaktorok, valamint az olvadt só hűtésű grafitos reaktorok (MSR). Mindegyik típus sajátos előnyökkel és kihívásokkal rendelkezik, amelyek meghatározzák alkalmazási területüket.
Biztonság és védelem az atomreaktorokban
A biztonság az atomerőművek egyik legfontosabb kritériuma, amely az elmúlt húsz évben jelentősen fejlődött. A mai modern reaktorok többszörös védelmi rendszerekkel rendelkeznek, amelyek biztosítják a környezet és a lakosság védelmét.
Többszörös védelmi rendszerek
Az atomreaktorokban három alapvető biztonsági feltételt kell teljesíteni: a nukleáris láncreakció hatékony szabályozását, a termelt energia megfelelő elszállítását, valamint a radioaktív anyagok kikerülésének megakadályozását. Mindezek mellett a modern atomerőművek konténmenttel rendelkeznek, amely egy erős, hermetikusan záró vasbeton szerkezet a reaktor körül.
A biztonsági rendszerek öt szintbe rendeződnek:
- Az erőmű tervezése során maximális ellenállást biztosítanak a belső hibákkal szemben
- A létesítményt a tervezett működési határokon belül tartják
- A hibák lehetőségének minimalizálása
- Felkészülés a nem várt balesetekre
- Radioaktív kibocsátás esetére való felkészülés
Mit jelent a reaktor leállítása?
A reaktor leállítása történhet „lassú” vagy „gyors” módon. A lassú leállítás során mind a négy szabályozórúd szervomotorja segítségével jut be a zónába. Ezzel szemben a gyors, más néven biztonságvédelmi leállítás akkor következik be, amikor olyan hiba lép fel az irányító rendszerben, amely megakadályozza a biztonságos üzemet.
Hogyan előzik meg a baleseteket?
Az atomerőművek biztonsági szintjének növelése érdekében folyamatosan fejlesztik a balesetet megelőző eszközöket. A reaktor teljesítményének mérése több módszerrel történik, azonban szabályozási célra általában azt a tényt használják fel, hogy a reaktor hőteljesítménye arányos az aktív zóna átlagos neutronfluxusával.
A biztonságos üzemeltetést az Országos Atomenergia Hivatal felügyeli, amely csak akkor engedélyezi egy reaktor elindítását vagy üzemét, ha bizonyított, hogy annak biztonsága biztosítva van. Továbbá a reaktorok inherens biztonsággal rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy még a legnagyobb emberi gondatlanság esetében sem történhet túl nagy baj.
A védőburkolatok anyagaként leggyakrabban betont, acélt, öntöttvasat és ólmot használnak, a sugárzás mérésére pedig sugárkezelőket és dózismérőket alkalmaznak. Mindezek mellett veszélyhelyzetekben önműködően bezuhanó szabályozórudak szolgálják a balesetek elhárítását.
Következtetés
Mindent összevetve, az atomreaktorok működése egy rendkívül összetett, ugyanakkor jól szabályozott folyamat. Bár sokakban félelmet kelthet a nukleáris energia, a modern atomerőművek számos biztonsági rendszerrel rendelkeznek, amelyek hatékonyan védik környezetünket és lakosságunkat.
Az elmúlt évtizedekben jelentős fejlődésen ment keresztül az atomenergia-termelés. Akár a nyomottvizes reaktorokat, akár a CANDU típusú megoldásokat nézzük, mindegyik típus szigorú biztonsági előírások mellett működik. Különösen fontos megemlíteni, hogy a Paksi Atomerőmű négy reaktorblokkja megbízhatóan szolgálja hazánk energiaellátását.
A reaktorok többszörös védelmi rendszerei, valamint az automatikus leállítási mechanizmusok egyértelműen bizonyítják, hogy az atomenergia biztonságos energiaforrás. Természetesen a folyamatos fejlesztések és korszerűsítések továbbra is elengedhetetlenek ahhoz, hogy fenntartsuk és növeljük ezt a biztonsági szintet.
Végül érdemes hangsúlyozni, hogy az atomenergia nemcsak megbízható, hanem környezetbarát energiaforrás is, hiszen működése során nem bocsát ki üvegházhatású gázokat. Mindezek alapján egyértelmű, hogy az atomenergia jelentős szerepet játszik majd energiaellátásunk jövőjében.
