Physics | Energy » Soti Gergely - Atomerőművek

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”. A nukleáris technológiában ez volt az eufória korszaka. Töretlennek hitték a fejlődés lendületét, és ebben a fejlődésben jelentős szerepet szántak az atomenergiának. Ez a kezdeti lelkesedés mostanra nagyon alábbhagyott. Az atomenergiát egyre többen ellenzik, nem építenek új erőműveket, világszerte atomenergia-ellenes megmozdulások vannak. Milyen hátrányai vannak az atomenergiának, amelyek hatására ez a helyzet kialakult? Itt egy 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 főleg 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 egész energiatermelésnek a 76%-a. 1975 és 1995 között az energiafogyasztás évi növekedése 40% volt, és egyes becslések szerint ez a szám még növekedni fog. Optimista megfigyelők szerint a növekedés a Harmadik Világ kiegyenlítődéséhez vezet, viszont egyik megfigyelőnek sincs megoldása ezen energia előteremtésének módjára. Az energiahordozók három nagy csoportja (fosszilis tüzelőanyagok, atomenergia és regeneratív energiaforrások) közül

hosszú távon egyenlőre csak az atomenergia életképes. A megoldást a regeneratív energiaforrásokban keressük. A Földet érő napsugárzás és a Föld belső energiatermelése egyensúlyt tart a kisugárzással. Az emberi tevékenységhez felhasznált energia is végül hővé alakul és így kisugárzódik. Az optimális energiatermelést tehát a napenergia teljes hasznosítása nyújtaná, mert ez nem módosítaná a globális energiamérleget. Az ilyen típusú erőmű – telepek hátránya a kis teljesítmény, rövid élettartam és a magas áramtermelési költség. Sikeres alkalmazásukhoz át kell alakítani (decentralizálni) az áramelosztó rendszert. Németországban például a szél-áram 5-ször drágább a “klasszikus” módon termelt áramtól. Ezért a kormány különféle kedvezményekkel támogatja az ilyen kezdeményezéseket Reméljük, hogy az intenzív kutatások által idővel jobb és jobb megoldások fogunk találni a regeneratív

energiaforrások kihasználására. A fentiek összegzéseképpen azt gondolom, hogy az atomenergiának ilyen formában nincs jövője, ám teljesen eldobni sem lehet. A megoldást az innovatív erőművektől (természetesen ha megoldjuk a hulladékok tárolását), a fúziós reaktoroktól, és a regeneratív energiaforrásoktól várjuk. Az ember addig a nukleáris energiára van utalva, ezért igyekeznünk kell minél jobban megérteni és átlátni a helyzetet, hogy beláthassuk hátrányait, és hogy ezek alapján tovább tudjunk 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 elektromos taszítóerőktől. Az atommag kötési energiája egyenlő azzal az energiával, amely szükséges ahhoz, hogy azt nyugalmi helyzetű szabad nukleonokra bontsuk. Mivel az atommag kötési energiája

függ a tömegszámától (A), ezért általában nukeononkénti kötési energiáról (B) beszélünk. Azok az atomok a legstabilabbak, amelyekben az egyes nukleonra eső kötési energia a legnagyobb. A nagyobb (A>200 és Z>82) atommagoknál jelentkezik a radioaktivitás, vagyis az atommag 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 és 2 neutronból áll (valójában He atommag). A β-bomláskor az atommag elektront (ez esetben egy neutron 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 nem változik, viszont az atommag töltése eggyel nő vagy csökken. A bomlás után az atom gerjesztett állapotba kerül, és egy γ-kvantum (nagyenergiájú foton) kibocsájtásával ugrik vissza az

alapállapotba, amit γ-sugárzásnak nevezünk. Ez nem önálló formája a radioaktivitásnak, hanem α-, 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 egész bomlási sorok alakulnak ki, amelyek végén stabil elemek vannak. A sugárzás intenzitása az atommagok számától függ. Mivel nem tudhatjuk pontosan, hogy mikor bomlik el egy radioaktiv atom, ezért felezési időről beszélünk. Egy elem felezési ideje megadja, hogy mennyi idő alatt bomlik el az atomok fele. Az U-238 felezési ideje 4,5 milliárd év, a rádiumé 1620 év, a franciumé 21 perc. Aktivitás és dózis Egy radioaktív anyag aktivitása azt fejezi ki, hogy hány atommag bomlik el másodpercenként. Mértékegysége a becquerel (Bq), Antoine Henry Becquerel francia tudósról nevezték el, aki a radioaktivitás felfedezője. A dózis a besugárzott anyag által

elnyelt energiát fejezi ki, mértékegysége a gray (Gy), 1 Gy = 1 J / kg. Ha az ember 0,01 Gy dózist kapna, hőmérséklete ennek hatására csupán 0,0001°Cot 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: 1 Gy α-sugárzás például hússzor veszélyesebb 1 Gy β-sugárzásnál. Ezért vezették be a dózis biológiai megfelelőjét, a dózisegyenértéket, amely figyelembe veszi, hogy a különböző sugárfajták más hatást gyakorolnak az élő szervezetre. A dózisegyenérték mértékegysége a sievert (Sv). 20 Sv α-sugárzás megfelel 1 Gy α-sugárzásnak, ami viszont 20 Gy β-sugárzással egyenértékű. Alkalmazás Hevesy György 1913-ban fedezte fel a radioaktív nyomjelzés technikáját. Lényege, hogy nyomon követhetünk egyes folyamatokat az azokba való beavatkozás nélkül. Ha a

vizsgálandó rendszer egyik összetevőjének van γ-sugárzó izotópja, akkor egy részüket kicserélve a sugárzó izotópokra 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. Az ő munkássága nyomán alakult ki az izotópdiagnosztika. A radioaktív nyomjelzés kiválóan alkalmas 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 rövid hatótávolságú, 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: 10 B + n = 7Li + 4He (α-részecske) + 2,4

MeV A felszabadult energia a keletkező magok sebességét adja. Az ilyen nagy energiával rendelkező részecskék erősen ionizálnak, ugyanakkor körülbelül 10 µm-en lelassulnak, ezzel leadva összes energiájukat. Ez azt jelenti, hogy csak az α-részecskét kibocsájtó sejt, esetleg a szomszédai sérülnek. A BNCT alkalmazásához legalább 109 n/cm2s neutronfluxus (109 neutron halad át másodpercenként 1 cm2 bőrfelületen) szükséges. Ekkora mennyiségű neutront jelenleg csak a reaktorokban tudnak előállítani. Az USA-ban 1953 óta kezeltek betegeket két kutatóraktorban 8 év múlva azonban leálltak, mert ez a módszer sem volt sokkal sikeresebb a régi technikáktól. A BNCT másik nagy központja Japán. Tokiói Hitachi Training Reactor besugárzó alagútjában 1968-ban végezték az első sikeres kezelést. A FISSZIÓ A maghasadás – fisszió Az eddigiekben olyan elemekről volt szó, amelyek spontán módon bomlanak szét, azaz alakulnak át más

elemekké. Valójában mindegyik elemet szét lehet hasítani (kivéve persze az egyes tömegszámú hidrogént), ha elég nagy energiát fektetünk be. Energiaelőállítási szempontból természetesen csak a könnyen hasadó magok érdekesek. Ezeknél általában gerjesztett 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 energiája minimális. A külső hatásra deformálódott atom rezegni kezd, és ha a közölt energia eléri a kritikus 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 különbségével egyenértékű tömeg tűnik el. Ezt nevezzük tömegdefektusnak vagy tömeghiánynak Ez a hiányzó tömeg – az össztömeg kb.

0,1%-a – energiává alakul A felszabadult energia Einstein E=mc2 képletével adható meg. Egy uránmag hasadásakor például átlagosan 200 MeV energia szabadul fel. Ennek 85%-a a hasadási termékek kinetikus energiáját fedezi, azaz a hasadó anyag környezetét melegíti fel és mindössze 15%-a megy el a hasadási termékek gerjesztési energiájára, amely a különbözõ sugárzások kibocsátásához vezet, valamint a neutrínók kinetikus energiájára fordítódik. Az atomerőművek legelterjedtebb tüzelőanyaga az U-235. Az U-235 befog egy termikus neutront, és egy ún. köztes mag, U-236 jön létre Ez szinte azonnal szétesik, például I-139 és Y96 atomokra és egy neutronra: 235 U + n 236U 139I + 96Y + n Mivel a nehéz atommagokban általában nagyobb a neutron/proton arány mint a könnyűekben, ezért a hasadáskor több neutron is kilép. Ezeket nevezzük azonnali vagy prompt neutronoknak. A neutronok kisebb hányada (pl U-235 esetén 0,64 % részarányban)

a prompt neutronoknál nagyságrendekkel lassabban (0,2 - 50 másodperc) szabadulnak fel a hasadvány magokból, ezeket nevezzük késő neutronoknak. Ezek nagyon fontosak az atomerőmű szabályozhatóságának szempontjából. A láncreakció Az atomerőműveknek és az atombombáknak ugyanaz az alapelvük: a neutronsokszorozáson alapuló láncreakció. Ez abból áll, hogy minden atomot egy szabad neutron hasít szét, és minden hasadásnál keletkezik néhány neutron. Ezek azután további atomokat hasítanak szét és ekkor további szabad neutronok keletkeznek, egészen amíg hasadóanyag el nem fogy. Az egy hasadásból származó neutronok azon számát, amelyek a következõ neutrongenerációban egy újabb maghasadást hoznak létre, “k” sokszorozási tényezõnek nevezzük • Ha k < 1, akkor a láncreakció egy idő után leáll, hiszen a neutronok száma csökken, és a reaktor szubkritikus állapotban van • Ha k = 1, akkor a láncreakció időben

állandó (stacionárius), míg a reaktor kritikus állapotban van • Ha k > 1, akkor a láncreakcióban résztvevő neutronok száma egyre növekszik, a reaktor pedig szuperkritikus állapotban van. 2 Az atomerőműveknél csak olyan anyagokat alkalmaznak, amelyekben a reakcióképes atommagokban 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 nagy mennyiségű hőt termel. A kritikus tömeg (amely alatt nem indul be a láncreakció) a hasadóanyag alakjától 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, hogy minden keletkező neutron egy újabb hasadóképes atommagot találjon el. A bombában az urán két félgömb alakban van elhelyezve (midkét félgömb szubkritikus tömegű), nehogy a láncreakció spontán módon meginduljon. Aktiváláskor a két félgömb körül elhelyezett vegyi robbanóanyag összeütközteti a két félgömböt, az urán eléri a kritikus tömeget, és beindul a láncreakció. 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 2-3 gyors neutron keletkezik. Emiatt kell a moderátor (neutronlassító) és a neutron-abszorbens, azaz a neutronelnyelő. A jó moderátornak két feltételt kell

kielégítenie: • A gyors neutronok minél hamarabb, lehetőleg már egy-két ütközés után váljanak termikussá (azaz lassuljanak le). Így könnyebben elkerülik azt, hogy egy U-238 atom befogja őket. Ez a feltétel csak kis rendszámú elemekre teljesül • A moderátor maga csak kevéssé nyelje el a neutronokat, hogy azok ne vesszenek el a további hasadások szempontjából. A következő táblázat az egyes anyagok tulajdonságait mutatja be: Moderátor H-1, hidrogén H-2, deutérium Be-9, berilium C-12, grafit A termikussághoz szükséges ütközések száma 18 25 86 114 Neutronbefogásra való hajlam 650 1 7 10 *a második oszlop egy 1,75 MeV energiájú neutron termikussá válásához szükséges ütközések számát tünteti föl A reaktor üzemeltetése a k-nak csak egy szűk sávjában lehet biztonságos. A gyakorlatban azonban ez a szűk sáv is elégséges ahhoz, hogy a reaktort kézben tartsuk. 2 *a harmadik oszlop relatív egységeket mutat, ahol a

deutériumot vettük 1-nek Várható volt, hogy a legkisebb tömegű atommagnál (H-1) lesz a legkevesebb ütközés szükséges, az viszont nagyon könnyen elnyeli a neutronokat. A két oszlop együttes vizsgálata alapján a deutérium felel meg legjobban a követelményeknek, viszont gazdasági szempontból (a nehézvíz nagyon drága) mégis inkább könnyűvizet (H2O) használnak. A neutronok számát a reaktorban nyilvánvalóan szabályoznunk kell, hiszen ettől függ a létrejövő maghasadások száma, és így a felszabaduló energia is. A láncreakció szabályozásához olyan anyagok kellenek, amelyek nagyobb valószínűséggel nyelik el a neutronokat, mint maga az urán. A leginkább használatos neutronabszorbensek a kadmium (Cd) és a bór (B) A szabályozás legfőbb eszköze a szabályozó rúd. Ezek neutronelnyelő anyagból készülnek, amelyeket a hasadóanyagba lehet engedni illetve kihúzni, így szabályozva a maghasadást létrehozó neutronok számát. Ha

csökkenteni akarjuk a reaktor teljesítményét, elég beljebb tolni a szabályozó rudakat, és ez elnyeli az épp hasítani készülő neutronok egy részét, így csökken a hasításra készen álló neutronok száma. Ha növelni akarjuk a teljesítményt, több neutronra van szükségünk a hasításhoz, vagyis kijjebb kell húzni a neutronelnyelő rudakat. A szabályozórudak főleg 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. A teljesítmény növekedésének ütemét azzal az idővel szoktuk jellemezni, amely alatt a teljesítmény megkétszereződik. Ez a kétszerezési idő (T2x), és értékét biztonsági okokból (alulról) korlátozzák: atomerőművekben nem lehet egy-két

percnél rövidebb, de kísérleti és kutatóreaktorokban sem engednek meg tíz-húsz másodpercnél kisebb értéket. Ennyi idő bőven elegendő arra, hogy a szabályozórudakkal beavatkozzunk. A láncreakció szabályozhatóságát a késő neutronokkal érik el: a szuperkritikus reaktor mindaddig ellenőrizhető, amíg a késő neutronok nélkül szubkritikus lenne. Ekkor ugyanis a kétszerezési idő elég nagy a közbeavatkozáshoz. Viszont ha a láncreakció csak a prompt neutronokkal is fenntartja magát, akkor a kétszerezési idő nagyságrendje 0,001 másodperc, és ez külső 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. Az urán 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

nem különböznek, ezért fizikai módszereket kell alkalmazni, kihasználva a tömegkülönbségüket. Az uránt először flour segítségével gázzá (UF6) alakítják, majd különböző módszerekkel szétválasztják 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 gáz nehezebb U-238 tartalma a cső külső fala mentén magasabb, és így el lehet választani az U-235-től • A centrifugás módszerben a gázt egy gyors centrifugában pörgetik. A centrifuga közepében felhalmozódnak az U-235 atomok, mivel az U-238 a nagyobb tehetetlensége miatt nagyobb ívű pályára kényszerül. • A gázdiffúziós módszer alkalmazásakor a túlnyomás alatt levő UF6 gázt egy membránon nyomják át. Az U-235 atomok mozgékonyabbak, és könnyebben átjutnak a 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 titkos körülmények között Enrico Fermi és munkatársai ekkor végeztek először ellenőrzött atommaghasítást. Noha eredményeik elsőként a hirosimai és nagaszaki atombomba ledobásában csúcsosodtak ki, az atomenergia úgynevezett békés célú felhasználása sem váratott sokat magára: 1951-ben a kutatók annyi villamosságot fejlesztettek egy atomreaktorral, amellyel 4 közönséges izzó világíthatott. A világ legelső atomerőművét Obnyinszkban (Oroszország) helyezték üzembe, 1954. július 24-én Urán tüzelőanyaggal, grafit neutronlassítóval és vízhűtéssel 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 a szivattyún keresztül visszajut a reaktortartályba. Az atomerőmű fűtőelemei uránoxidból (UO2) készült üzemanyag-tablettákat tartalmaznak. Ezek méretei reaktortól reaktorig változnak, általában 1,5 cm magas és 1 cm átmérőjű tablettákká préselik őket. Ezután 1700°C-ra hevítik őket, hogy elérjék a megfelelő sűrűséget és szilárdságot. A kész tablettákat burkolócsövekbe rakják Ezek soha sem töltik ki teljesen a csövet, hogy a maghasadás során keletkező gáznak elég helye legyen. A megtöltött és lezárt csövet nevezzük üzemenyagrúdnak. Az üzemanyagrudakat egy tartószerkezettel tartják együtt, ezt nevezik fűtőelemnek. Egy fűtőelemben 64 - 100 rúd lehet A fűtőelemek függőlegesen vannak 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 atomreaktorok összteljesítményének 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 került radioaktív anyagok a primer körben maradjanak, és ne kerülhessenek a turbinába és a kondenzátorba. 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 (térfogatkompenzátor) biztosítja A primer köri víz az ún gőzfejlesztő kis átmérőjű csöveiben átadja hőjét a szekunder kör vizének, majd alacsonyabb hőmérsékleten jut vissza a reaktorba. A szekunder köri nyomás sokkal alacsonyabb, a víz felforr, és a már közölt módon meghajtja turbinákat. A víznek még egy szerepe van. Ha a reaktor túlságosan felmelegszik, a primerköri víz sűrűsége csökken, ezáltal kevesebb gyors neutront tud lefékezni, csökken a maghasadások száma, és a reaktor lehűl a megfelelő üzemi szintre. Ezt nevezik negatív üregtényezőnek Ennek a reaktortípusnak az üzemanyaga alacsonyan dúsított urán dioxid, néha uránplutónium-oxid keverék (ún. MOX) A nyomottvizes a legelterjedtebb típus: a világon jelenleg üzemelő atomreaktorok összteljesítményének mintegy 63.8%-át adják Nehézvizes reaktor A nehézvizes reaktor a

könnyűvizesnek a módosított változata. A moderátor és a hűtőközeg a nehézvíz (D2O). Ebből ered ennek ennek a típusnak a hátránya: a nehézvíz nagyon drága 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, az egyikben a hűtőközeg térbelileg el van választva a moderátortól (a moderátor egy nagyobb tartályban van, amelyen belül helyezkednek el a vízszintes fűtőelemkötegeket körülvevő csövek, amelyekben áramlik a hűtőközeg). Ennek az az előnye, hogy nem kell az egész reaktortartályt nagy nyomás alatt tartani, és hogy a fűtőelemeket üzem közben lehet cserélni. Ilyen típusú a kanadai CANDU erőmű reaktora. A másik fajtában az egész reaktortartály nyomás alatt van Itt a moderátor és a hűtőközeg ugyanaz a nehézvíz. A nehézvizes reaktorok a világ mai atomerőmű-összteljesítményének

5.3%-át adják, az építés alatt levőknek 13.2%-át, tehát erősen elterjedőben vannak Ennek egyik oka a biztonságossága, a másik pedig a magas konverziós tényezője, vagyis a reaktor maga is sok hasadóanyagot állít elő az üzemanyagban lévő 238-as urán izotópból. Gázhűtésű reaktorok A gáz-grafit reaktorok moderátora grafit, hűtőközege pedig valamilyen gáz (többnyire CO2, újabban hélium). A legrégebbi reaktortípusok közé tartozik, első példánya az 1955-ben Angliában 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-ra is felemelkedhet, ami nagyon jó hatásfokot eredményez (majdnem 50%). A magas hőmérsékletű tóriumos reaktor a gázhűtésű reaktorok egy speciális fajtája. A hűtőközeg hélium,

üzemanyaga Th-232 és U-235. A reaktor fűtőelemei 6 cm átmérőjű 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 a termikus neutronok. A hőt héliummal vezetik el, ami kilépéskor 750°C Ez 6 gőzfejlesztőben adta át hőjét a víz – gőz körnek. A beépített átrakógép lehetővé teszi a fűtőelemgolyók 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 az U-238 neutronbefogással és két

egymást követőβ -bomlással Pu-239-é alakul. Ez hasadóképes anyag, és legjobban gyors neutronnal lehet hasítani. A tenyésztőreaktor aktív zónája két részből áll. Belül vannak a fűtőelempálcák, amelyek 15%-ra dúsított UO2/PuO2 keveréket tartalmaznak. Ebben a részben a maghasadások dominálnak. A belső részt körülvevő, U-235-ben szegényített uránt tartalmazó UO2-köpenyben az urán 238-as Pu-239-é alakulása a meghatározó folyamat. Ezek a tenyésztőrudak A gyorsreaktorokban a folyamat úgy irányítható, hogy az U-238-ból több hasadóképes Pu-239 keletkezzen, mint amennyi a maghasadásokhoz kell. A plutóniumot aztán más reaktorokban tüzelőanyagként lehet használni. Ebben a reaktortípusban nem szabad moderátornak jelen lennie, mivel mint a magátalakuláshoz, mint a maghasadáshoz gyors neutronok szükségesek. A hasadóanyag nagy aránya miatt a fűtőelemek 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 ezek után meghajtja a turbinákat. A három kör használata a Na veszélyessége miatt szükséges (A primer körben keringő nátriumot a szabad neutronok felaktiválják, radioaktív Na-24 keletkezik. A második nátriumkör megakadályozza, hogy a radioaktív Na esetleg érintkezhessen a víz-gőz körrel.) A tenyésztőreaktornak egy fontos tulajdonsága a tenyésztési arány (breeding ratio), ami megmutatja, hogy mennyi Pu-239-et termelünk egységnyi hasadóképes anyag elbomlása közben. Ez az érték 1.2 körül mozog, bár a tudósok az 14-es szintet szeretnék elérni A hasadásonként kapott átlag 2.4 neutronból egy marad a láncreakció fenntartására, a többi az U-238 átalakítására használódik. Ide kapcsolódik egy másik fogalom, a duplázási idő Ennyi idő alatt

termel meg a tenyésztőreaktor egy másik reaktor számára elegendő üzemanyagot. A legnagyobb tenyésztőreaktoros atomerőmű a Superphenix, 1986 óta működik Franciaországban. Az üzemanyagrudak és a tenyésztőrudak egy 3 x 5 m-es tömböt alkotnak A primerköri nátriumot 500°C-ra hevítik, mielőtt átadja a hőjét a szekunderköri nátriumnak. Hatásfoka 39%, duplázási ideje 20 év. A gyors tenyésztőreaktorok a világ atomerőművi összkapacitásának kevesebb, mint 1%-át adják. A közvélemény nagyon ellenzi ezt a reaktortípust, 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 alatt lehet 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 az esélye, 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. A gyártó vállalatok három fő irányba indultak el: • Evolúciós erőművek – a meglévő típusok továbbfejlesztése. Teljesítményük 900 MW fölötti, szigorúbbak a biztonsági előírások, nagyobb tömegű a hűtőközeg, nagyobb biztonsági tartalékok vannak stb. • Passzív erőművek a biztonságot fizikai törvényekre

alapozzák (gravitáció, természetes áramlás), így az nem függ a biztonsági rendszerek működésétől. Ezt inherens biztonságnak is nevezzük. • Innovatív erőművek a biztonságot passzív eszközökkel érik el. Teljesen új konstrukciójuk van, ez egyben hátrányuk is, mert egyenlőre valószínűtlen a megvalósulásuk Mérnöki gátak Egy atomerőmű működése közben sok olyan erősen radioaktív elem keletkezik, amelyek semmi körülmények között sem kerülhetnek ki a szabadba. Ezért szinte mindegyik atomerőmű hatszoros biztonsággal működik: 1. A hasadványok üzemanyag – tablettákba vannak zárva 2. Az üzemanyagrudak légmentesen lezárt csövei semmilyen veszélyes anyagot sem engednek át 3. A reaktor nyomásálló tartálya 4. Az összes szerkezeti elem, amelyből sugárzás kiindulhat, vasbeton fallal van körülvéve 5. Acél biztonsági tartály, ami körülveszi az összes eddig említett berendezést 6. Egy, egy méternél is vastagabb

betonburok, ami még egy repülő rázuhanását is kibirná Belső biztonság A reaktor teljesítményének változtatásakor a hőmérsékletek (üzemanyag, hűtőközeg) is változnak, azok pedig különböző magfizikai folyamatokon keresztül változtatják a reaktivitást. A teljesítmény növelésekor megemelkedik az üzemanyag hőmérséklete. Az U-238 viszont magasabb 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 a teljesítmény változása visszahat a teljesítményre. Ha a visszahatás olyan, hogy a kiváltó okkal ellentétes folyamatot váltson ki, akkor negatív visszacsatolásról beszélünk. A reaktor biztonsága érdekében célunk, hogy a visszacsatolások minden esetben negatívak legyenek. Ekkor ugyanis a teljesítménynövekedés reaktivitáscsökkenést okoz, ami pedig előbb – utóbb szubkritikus állapotba

viszi a reaktort. Ilyenkor mondjuk, hogy az erőmű belső (inherens) biztonsággal rendelkezik. Ilyenek például a nyomottvizes reaktorok Legutóbb sikerült olyan erőműveket kifejleszteni, amelyek teljesen az inherens biztonságon alapszanak. Az inherens biztonság ellenpéldájaként meg kell említeni a csernobili RMBK típusú reaktort, amelynél előfordulhat olyan üzemállapot, hogy pozitív visszacsatolások jelentkeznek. Balesetek Az atomerőművi balesetek megmutatták, hogy ezekben mennyire fontos szerepet játszik az ember. Nagy gondot kell fordítani a megfelelő szakemberképzésre, valamint a már meglévőek továbbképzésére. 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 hűtővíz mennyisége tovább csökkent • az operátor ezt nem vette észre, mert a vezénylőben a szelep lámpája zárt állapotot mutatott • az üzemzavari zónahűtő rendszer a beállított paraméterek szerint beindult, viszont az operátor 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 záró reaktorépületbe • a műszakváltás után az új operátor lezárta a lefúvató szelepet

A környezetbe szinte alig kerültek radioaktív anyagok, mert a reaktort tartalmazó védőépület felfogta őket. Minimális mértékben csupán nemesgázok szabadultak ki Jimmy Carter elnök Kemény János magyar származású fizikust bízta meg a baleset kivizsgálásával. A bizottság rámutatott az operátorok képzettségi hiányaira, és javaslatokat tett vezénylői információellátásuk javítása érdekében. Ráirányította a figyelmet a tennivalókra lakossággal és a sajtóval való kommunikáció terén, az indokolatlan félelmek és a túlzó intézkedések megelőzésének érdekében. Csernobil A csernobili RMBK típusú reaktorok könnyűvíz hűtéssel, grafit moderátorral és urán tüzelőanyaggal működnek, ezért pozitív az üregtényezőjük (a víz a forrásával kevesebb neutront tud elnyelni, tehát növekszik a hasítóképes neutronok száma, ami magával vonja a teljesítmény növekedését). A hűtővíz-pumpák másodpercenként 10 000 liter

vizet pumpáltak át az aktív zónán. Biztonsági okokból dízelpumpák is rendelkezésre álltak Viszont áramkiesés esetén a dízelpumpák 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 reaktor csak úgy volt hajlandó működni, ha a szabályzórudakat magasan a megengedett szint fölé emelik. Ilyen helyzetben a szabályzórúdnak 1 másodperc kell, hogy szabadeséssel a reaktorba hulljon, és leállítsa a reakciót. • 1 óra 23 perc: az operátor kikapcsolja a vészleállítás automatikáját. A második turbinához vezető csapot elzárja, ami a hűtővíz melegedéséshez vezet • 1 óra 23 perc 24 másodperc: a szabályozórudak megindulnak lefelé. Kiszorítják a neutronelnyelő vizet, ezért a neutronsokszorozás nehány százalékkal megnő • 1 óra 23 perc 40 másodperc: a hőteljesítmény 0,32 GW-ra szökik föl. Beindítják a vészleállítást. • 1 óra 23 perc 43 másodperc: a rektorteljesítmény 1,4 GW és másodpercenként duplázódik! A reaktor lokálisan

szuperkritikussá vált, a hőtágulás meggörbíti a szabályozó rudak csatornáit. A lefelé mozgó szabályozórudak félúton megakadnak • 1 óra 23 perc 45 másodperc: 3 GW hőteljesítmény, a hűtővíz elforr, az egész reaktor szuperkritikussá válik. • 1 óra 23 perc 47 másodperc: fölrepednek a fűtőelemek burkolatai, eltörnek a hűtőcsatornák vezetékei, radioaktivitás szabadul ki. A láncreakció leáll • A reaktor aktív zónája megnyílt, és a levegőbe radioaktív anyagok kerültek A 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 szerint 1500-3000 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 üzemanyagfelvétel nélkül. Atomjégtörők és anyahajók Az atomjégtörők főleg az északi országok számára jelentősek, mivel a kereskedelmi utak jóval megrövidülnek, ha a sarkon keresztül közlekedhetnek a hajók. Az első atomjégtörő az orosz Lenin volt. 1957-ben került forgalomba, és 1989-ig teljesített szolgálatot Három, egyenként 90 MW-os nyomottvizes erőmű hajtotta, UO2 fűtőelemekkel, amelyeket kétévente cserélt. Az újabb jégtörőknek általában 2 nyomottvizes reaktoruk van, amelyben az urán 30% 40%-ra dúsított Atommeghajtású teherhajó nem sok készült, az USA-nak, Németországnak, és Japánnak van egy-egy ilyen hajója. Léteznek atommeghajtású repülőgép anyahajók is, ilyennel azonban csak az USA rendelkezik. Nagyságuk és a hosszú cirkálási útvonaluk indokolják a nukleáris

meghajtást A legelső ilyen hajó az USS Enterprise, amelyet 1960-ban bocsátottak vízre (8 db nyomottvizes reaktorral). Atomtengeralattjárók A régi tengeralattjárók rossz tulajdonságai (alacsony víz alatti sebesség, rövid víz alatt tartózkodási idő) indokolták az atomtengeralattjárók kifejlesztését. A első nukleáris tengeralattjáró a Nautilus, 1954-ben készült el, és 1983-ig volt szolgálatban. Ezek a járművek akár 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 is megtehetik 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, ezzel oldják meg a légkondicionálást és az édesvíz desztillálását a tengervízből. Ilyen

feltételekkel a tengeralattjáró akár hónapokig is víz alatt maradhat. A FÚZIÓ A magfúzió Egyes alacsony rendszámú atomok speciális körülmények között hajlamosak arra, hogy az atommagjuk összeolvadjon, azaz fúzionáljanak. Az ok ugyanaz, mint a maghasadásnál: az ilyen módon egyesült atommagban az új kötési energia sokkal alacsonyabb, mint a külön-külön az atommagokban. A fúzió létrejöttéhez meglehetősen szélsőséges körülmények szükségesek Az anyagot több millió Kelvin hőmérsékletre kell felhevíteni, és több száz több tíz millió Pa nyomást kell elérni. Csak ilyen feltételek mellett képesek az atomok legyőzni az atommagok között 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 a természetben, és radioaktív is, azonban előállítható litiumból a fúzióban keletkező neutron által kiváltott magreakcióban. A két reakció egy olyan zárt kört ad, amelyben csak a deutérium és a litium a bemenö anyag és hélium keletkezik. Ennek a reakciónak a létrejöttéhez a reaktorban az anyagot 2*104 eV (2108 K) hőmérsékleten kellene tartani. Ezen a hőmérsékleten a részecskéknek a mozgási energiájuk akkora, hogy az atomok ütközés közben elvasztik eletronjaikat. Így a gáz szabad atommagok és elektronok keverékévé válik Ez a plazma állapot Ahhoz, hogy a fúzió önfenntartó legyen, a veszteségeknek kisebbeknek kell lenniük a megtermelt energiától.

Ezt Lawson – kritériumnak nevezik, és a hőmérséklettel és egy ún energiaösszetartási idővel (megadja, hogy mennyi idő alatt csökken a plazma energiatartalma 1/e részére) áll összefüggésben. Ha a plazmát folyamatosan addig fűtjük, hogy elérje a Lawson kritérium feltételeit, akkor eléri a gyújtás (ignition) állapotot Ezen a ponton a plazma által termelt fúziós teljesítményből a plazmában maradó rész éppen egyenlő a plazma veszteségeivel. Ha kicsit tovább emeljük a hőmérsékletet, akkor a plazma tovább fűti magát, és külső beavatkozás nélkül is önfenntartóvá válik. A plazma veszteségei mindig monoton növekednek a hömérséklet emelésével, míg a fúziós teljesítménynek maximuma van. Ezért a gyújtás után a hőmérséklet megnő, majd stabilizálódik egy magasabb értéken. A folyamat tehát a fizikai törvényei miatt nem tud megszaladni, mindenféle külső beavatkozás nélkül is egy stabil hőmérsékletre áll be.

Ahhoz, hogy ezt a stabil állapotot elérjük a plazmát a gyújtásig kellene eljuttatni. 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 a hidrogénmagok olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy beindulhat a fúzió. A pozitív eredményekkel szolgáló kísérleteket eddig még nem sikerült megismételni, ezért a tudóstársadalom általában elveti a hideg fúzió lehetőségét. Ennél a hozzáállásnál lézersugárral fűtik 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 a külső 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 ennek hatására kilépő ionok melegítik a kapszula felületét. Létezik viszont olyan változat is, ahol a nem használnak hohlraumot, a lézer közvetlenül a kapszulát fűti. A kapszula műanyag borítása plazma állapotba kerül és nyomása (mint egy rakátahajtómű) összenyomja a kapszula belsejét (a D-T keveréket). Amikor elég nagy sűrűség és hőmérséklet jön létre, akkor a töltetben beindul a fúziós 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 az eljárásnak. A Lawrence Livermore laboratóriumokban kifejlesztettek egy ilyen rendszert 10 lézersugár fűti a kapszulákat, ami a 10-9 másodperc

hosszúságú pulzusokban 100 000 J energiát ad 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 egyenlőtlen melegítés miatt. Hasonló okok miatt a plazmaállapotba került műanyag sem képes mindig összenyomni a szilárd jégréteget. Ha megreped a D-T réteg, a gáz kiszökik, és nem indul be a fúzió. 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 a mágneses tér, akkor a plazma a megfelelő mértékben összesűrűsödik, és beindulhat a fúzió. A mágneses tér inhomogenitása (a tórusz alakjából kifolyólag) azonban szétválasztja a plazmát (az ionok és az elektronok ellentétes irányba sodródnak),

és ez egy függöleges elektromos tér kialakulásához vezet. A függőleges töltésszétválás megelőzhető, ha a mágneses erővonalakat összecsavarjuk, azaz helikális mágneses szerkezetet alakítunk ki. Így az erővonalak mentén szabadon mozgó töltések a berendezés aljáról gyorsan átkerülhetnek a tetejére és így kiegyenlítik a töltésszétválást. Kétféle módon alakíthatjuk ki a helikális teret: 1. A plazmában hajtott toroidális irányú áram mágneses terével (tokamak) – ez egyben a plazmát is melegíti 2. A tórusz felületére helyezett külső csavart tekercsekkel, vagy nem síkbeli mágneses tekercsekkel (stellarátor) A plazmát litium réteg veszi körül, aminek két szerepe van. Az egyik, hogy elvezeti a plazma hőjét (a plazmából kilépő neutronok melegítik föl), a másik pedig hogy a litium neutronbefogással triciummá alakul, ami a fúzió egyik kiinduló anyaga. A litium réteg folyamatosan fogy a reaktor működése közben,

ezért egyes tervek szerint folyékony litiumot használnak majd. A JET-ben (Joint European Torus) háromféleképpen fűtik a plazmát 4: • 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 plazma magától 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. Ma számos nagy, elsősorban tokamak típúsú berendezés üzemel a világban. A tudósok a

költségvetéstől függően 30 – 50 év múltán látják a fúziós reaktort megvalósíthatónak. Ennek szempontjából az eddigi legfontosabb eredményeket az alábbiakban lehet összefoglalni: • A fűtési teljesítmény 60 százalékának (Q=0.6) 5 megfelelő fúziós teljesítményt elérték D-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 miatt elhalasztották. Ez a berendezés a tervek szerint képes lenne termonukleárisan égő plazma fenntartására. • Európai-Japán-Orosz együttműködésben folyik egy redukált költségvetésű ITER tervezése. A cél egy nem égő, de Q=10 energiamérlegű berendezés létrehozása A szabályozatlan fúzió A szabályozatlan fúzió –

akárcsak a szabályozatlan fisszió – rövid idő alatt nagy mennyiségű energiát szabadít föl. A reakció megvalósítása egyedül a hidrogénbombában nevezhető sikeresnek, ahol azonban nem szabályozott keretek közt megy végbe. A beindulásához szükséges hőmérsékletet egy "közönséges" atombomba biztosítja. KÉP A hidrogénbomba háromlépcsős fegyver(hasadás-fúzió-hasadás). A gyújtást TNT töltetek felrobbantásával valósítják meg. A robbanás elegendő urán 235-öt nyom össze ahhoz, hogy ellenőrizhetetlen láncreakció induljon meg. Az atomrobbanás redkívül magas hőmérsékletet idéz elő és megindítja a neutronáramot. A magas hőmérséklet és a neutronáram a középen elhelyezett lítium- és deutérium-atomokra hat. A lítium tríciummá alakul, és ez a deutériummal összekeveredve plazmává alakul. A plazmarészecskék termonukleáris reakció folyamán közvetlenül héliummá egyesülnek, s eközben újra neutronok

szabadulnak fel. Ezek a neutronok a bomba belső burkolatának ütköznek, amely 238-as uránból áll és ezáltal hasadási reakciót indítanak el. Az első kísérleti hidrogénbombát 1951 májusában robbantották fel. Az elméletek kísérleti megvalósítása elsősorban Teller Ede nevéhez fűződik, őt tekintik a hidrogénbomba atyjának.1952 november 1-én vezető amerikai magfizikusok egy csoportja Teller Ede irányításával 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 5 Önmagában egyik módszer sem elegendő a plazma felmelegítésére, ezért általában kombinálják őket. Q-val a fúziós teljesítménynek és a külsö fütési teljesítménynek az arányát jelöljük Fúzió hatalmas méretekben Egy csillag belsejében vannak

megfelelõ körülmények arra, hogy automatikusan beinduljon egy energiatermelõ láncreakció és a csillag már csak tömegénél fogva sem tud igen heves láncreakciót folytatni, így nem képes hirtelen robbanni. Kezdetben a csillag helyén örvénylő gázfelhő van, amelyben megjelennek kisebb csomók. Ezek az ideiglenes tömegközzéppontok vonzzák a környéken lévő anyagot, és mind sűrűbbek és sűrűbbek lesznek. Amikor elérik a pár millió fokos hőmérsékletet és a pár száz atmoszférányi nyomást, beindulhat a csillagok anyagában döntő többségben lévõ hidrogénmagok fúziója, így a csillag megszületik. Ez a fúzió okozza a csillag kifényesedését, valamint az energiatermelés okozza a csillag méretének megnövekedését. Ez a fúzió sokáig eltarthat, a csillag tömegétõl függõen pár százezer évtõl több milliárd évig. Ebben a folyamatban a csillag hidrogén-anyagának legalább 80 %-a fúzionál héliummá. Ha a csillag kb azonos

tömegű a Nappal, akkor hidrogénkészletének felélése után már nincs mivel fúzionálnia, így a csillag felületét eddig fenntartó energiatermelés megszűntével a csillag összeroskad. A hirtelen összerohanó anyag viszont a csillag középpontjában hirtelen megnöveli a nyomást és a hõmérsékletet. Ezek a megnövekedett körülmények viszont eredményezik a csillag felrobbanását és az eddigi hélium-hidrogén burok ledobását. (Nóva-robbanás) Ez történik majd a Nappal élete végén A maradék egy fúzionális szempontból halott "fehér törpe". Ha csillag ennél nagyobb és kb. 10 Nap-tömegű, akkor elegendõ anyaga van ahhoz, hogy ez a robbanás ne következzen be, hanem a héliummagok is képesek lesznek fúzionálni. Igy a következõ kifényesedéskor a hélium-magok lítiummá olvadnak össze. Ez már kevesebb ideig tart, mint az elõzõ életciklus. De ha elfogy ez az üzemanyag is, akkor a magok egy újabb összeomlás-kifényesedés

ciklus után tovább fúzionálnak szénné, oxigénné, illetve nitrogénné. Egy újabb összeomlás-kifényesedés során a magok tovább fúzionálnak vassá. Ez az atommag a legstabilabb energiaszerkezettel rendelkezik, így a magok nem tudnak tovább fúzionálni. Ekkor következik be a minden eddigit felülmúló robbanás, amikor a vasmagok tovább fúzionálnak és az összes létezõ nehezebb atom egyszerre létrejöhet. (szupernóva-robbanás) A csillag fényessége ekkor több milliószorosára is növekedhet pár nap alatt és gyakorlatilag az összes anyagát ledobja. KÖRNYEZETSZENNYEZÉS Az lakosságot folytonosan éri természetes eredetű sugárzás, amelynek forrásai az űr és maga a Föld. A kozmikus sugárzást a légkör csökkenti, így a tengerszinten 1 m2 felületen már csak 200 részecske halad át másodpercenként. A földkérgi sugárzást a természetes radioaktív anyagok adják, amelyek állandóan jelen vannak a környezetünkben (talaj,

építőanyag, levegő) és a szervezetünkben. A testünket felépítő atomok közül óránként közel 16 milliónyi bomlik el A sugárzó részecskék és fotonok olyan óriási mennyiségben keletkeznek a környezetünkben és a szervezetünkben, hogy minden másodpercben átlagosan 75.000 éri a testünket Az ezektől eredő külső és belső sugárterhelés végigkíséri az egész életünket. Ennek értelmében túlzás nélkül állíthatjuk, hogy a természetes sugárzás nem jelent veszélyt az emberre, sőt az élet természetes velejárója. Az ENSZ Atomsugárhatásokat Vizsgáló Tudományos Bizottságának egy 1988-as felmérése szerint a Föld lakossága természetes forrásokból évente 2,4 mSv sugárterhelést kap. A múlt század legvége óta a természetes sugárzáson felül az emberiséget mesterséges forrásokból származó sugárterhelés is éri. A következő táblázatban bemutatjuk a Föld népességének kollektív (összesített) sugárterhelését

mesterséges forrásokból. A kollektív dózis valamely konkrét sugárforrástól eredő, egy adott embercsoportra számított sugárterhelés. Ezt a csoport létszámának és az adott létesítménytől származó, egy főre jutó átlagos sugárterhelésnek az összeszorzása útján kapjuk. Mértékegysége a személy*Sv. A sugárzás forrása Orvosi besugárzásból Atomrobbantások leülepedő hulladékából Világító számlapú óráktól Nukleáris ipar foglalkoztatási Nukleáris ipar lakossági Személy*Sv 2.000000 50.000 2.000 5.000 1.000 A mesterséges forrásokból származó összes sugárterhelésünk kevesebb a természetes eredetű évenkénti sugárdózisunk 20%-ánál. Ennek a legjelentősebb összetevője a sugárforrások orvosi alkalmazása (röntgen), amelyek révén évente átlagosan 0.4 mSv sugárterhelést kapunk A mesterséges sugárterhelésünk mintegy 97%-át adja az orvosi besugárzás. Világszerte végzett mérések szerint az atomenergetikai

ipartól származó kollektív lakossági sugárterhelés (beszámítva a csernobili katasztrófát is) kisebb, mint a Föld lakosságának világító számlapú óráktól származó sugárterhelése! S ezen utóbbi dózis csupán 2,5-szer kisebb a világ nukleáris energiatermelésének tulajdonítható kollektív foglalkozási sugárterhelésnél (az uránbányászok, az urándúsító 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 véve 500 üzemelő reaktorban legfeljebb 2000 évente fordulhat elő egyetlen súlyos baleset. Atomhulladékok Reprocesszálás A reprocesszálómű olyan üzem, ahol a kiégett fűtőelemeket újrahasznosítják. Ez a bennük maradt U-235, Pu-239 és Pu-241 hasadóanyagok újrahasznosításából áll. Ez a művelet nehéz és

veszélyes, mivel nagy aktivitású anyagokkal kell dolgozni. A fűtőelemeket feldarabolják, és salétromsavban feloldják. Ehhez TBP (tributil-foszfát) nevű extrahálószert kevernek (valamilyen szerves oldószerben, pl. kerozinban feloldva) A TBPmolekula magához köti az urán- és a plutóniumatomokat A szerves oldat sűrűsége kisebb, mint a salétromsavasé, ezért a keverés abbahagyása után magától elkülönül. A további lépésekben UO2-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, majd 1150°C-on üvegporral olvasztják össze. Az üvegnek sok előnye van: hőálló, jól tűri a sugárzást, 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 a kősótömbök, amelyek magas sűrűsége megakadályozza a radioaktív anyagok kijutását a természetbe. A hulladékot többszörös túlbiztosítással helyezik el a földkéregben A radioaktív anyagok így visszakerülnek oda, ahonnan az uránércet a folyamat elején kinyertük. Az erősen radioaktív hulladéknak az a fő baja, hogy nagyon sokáig sugároz (gondolunk itt a plutóniumra és a távoli transzuránokra).

Kutatások folynak abban az irányban, hogy az illető atomot egy másik, gyorsabban bomló atommá alakítsák át. Ezt az eljárást transzmutációnak nevezik, minek során az illető atomot erős neutronsugárzásnak teszik ki, mitől az gyorsan bomló izotóppá alakul. Így elérhetjük azt, hogy 30 év alatt a hulladék aktivitása az eredetileg felhasznált urán szintjére csökken. FORRÁSOK 1. SH atlasz – Fizika, Springer Hungarica Kiadó, 1993 2. SH atlasz – Atomfizika, Springer Hungarica Kiadó, 1995 3. Egyetemes Guinnes Enciklopédia, Pannon Könyvkiadó, 1992 4. A Marslakók érkezése, Marx György, Akadémiai Kiadó, 2000 5. MI MICSODA – Atomenergia, Tessloff és Babilon Kiadó, 1992 6. http://wwwjakysulinethu/ATOM/ATOM1HTM 7. Élet és Tudomány http://wwweletestudomanyhu/ 8. A Paksi Atomerőmű Rt http://wwwnpphu/ 9. http://wwwrmkikfkihu/plasma/fusion/fuzbev/ 10. http://berzsenyitvnethu/tanszek/szam/gurdon/szakdolgozat/fuzio/ TARTALOM BEVEZETŐ . 1 A

RADIOAKTIVITÁS . 2 AKTIVITÁS ÉS DÓZIS . 2 ALKALMAZÁS . 3 A FISSZIÓ . 4 A MAGHASADÁS – FISSZIÓ . 4 A LÁNCREAKCIÓ . 4 A SZABÁLYOZATLAN LÁNCREAKCIÓ . 5 A SZABÁLYOZOTT LÁNCREAKCIÓ . 5 DÚSÍTÁSI ELJÁRÁSOK . 6 ATOMERŐMŰVEK . 7 FORRALÓVIZES REAKTOR . 7 NYOMOTTVIZES REAKTOR . 7 KÖNNYŰVIZES REAKTOR . 7 NEHÉZVIZES REAKTOR . 8 GÁZHŰTÉSŰ REAKTOROK . 9 TENYÉSZTŐREAKTOR . 9 BIZTONSÁG . 10 MÉRNÖKI GÁTAK . 10 BELSŐ BIZTONSÁG . 11 BALESETEK . 11 THREE MILES ISLAND . 11 CSERNOBIL . 12 ATOMMEGHAJTÁSÚ JÁRMŰVEK . 13 ATOMJÉGTÖRŐK ÉS ANYAHAJÓK . 13 ATOMTENGERALATTJÁRÓK . 13 A FÚZIÓ . 14 A MAGFÚZIÓ. 14 TEHETETLENSÉGI (INERCIÁLIS) FÚZIÓ . 14 MÁGNESES FÚZIÓ . 15 HOL TARTUNK MA? . 16 A SZABÁLYOZATLAN FÚZIÓ . 16 FÚZIÓ HATALMAS MÉRETEKBEN . 17 KÖRNYEZETSZENNYEZÉS . 18 ATOMHULLADÉKOK . 18 REPROCESSZÁLÁS . 18 A HULLADÉK TÁROLÁSA . 19 FORRÁSOK . 20 TARTALOM . 21