Reaktortechnika
Az energetikai atomreaktorok szerkezeti felépítése
Tartalom
• Komponensek – elnevezések• Kapcsolási sémák• Fűtőelemek és fűtőelemkkötegek• Energetikai reaktortípusok
– Nyomottvizes reaktorok– Elgőzölögtető reaktorok– Nehézvizes reaktorok– Egyéb reaktortípusok
Atomerőmű - AtomreaktorAtomerőmű: magreakciók felhasználásával villamos energiát szolgáltató létesítmény
Reaktor: Az a berendezés, ahol a magreakciók lejátszódnak
Blokk: Egy reaktor és a hozzá tartozó gépészeti és villamos berendezések összessége
Komponensek - Üzemanyag
• A fertilis és hasadóanyagot tartalmazza• Hasadóanyagok: 235U, 233U, 239Pu, 241Pu• Fertilis anyagok: 238U, 232Th, 240Pu
• Általában kerámia (UO2), régebben fém, esetleg karbid (UC)
• Általában pasztilla• Speciális esetek:
– Golyóágyas reaktor– sóolvadék
Komponesek - Fűtőelem
• Az atomreaktor legkisebb elszigetelt része• Az üzemanyagpasztillák és az őket tartalmazó
hermetikusan lezárt fémcső• Anyaga manapság cirkónium, régebben acél• Összetett követelmények:
– Neutronabszorbció– Mechanikai tuljdonságok– Hermetikus zártság
Komponensek - Moderátor
• Nagy sűrűségben kis tömegszámú magok• A hasadásban keletkező gyors neutronok
lelassítása termikus szintre• Legyen
– Jó lassítóképesség– Kevés abszorbció
• Csak termikus reaktorokban• Rendszerint H2O, D2O, C, esetleg Be• Hűtéséről gondoskodni kell• Ne legyen benne abszorbens (Pl. bór)
Komponensek - Hűtőközeg
• Feladata a szerkezeti elemek, mindenek előtt fűtőelemek hűtése
• A hő elszállítása további hasznosításhoz
• Folyadékok: H2O, D2O, folyékony fémek
• Gázok: CO2, He
• Elgőzölgéssel (forralóvizes reaktor) vagy anélkül (nyomottvizes)
• Esetenként azonos a moderátorral
Komponensek - Hűtőcsatorna
• A fűtőelemek közötti térrész, ahol a hűtőközeg áramlik
• Lehet zegzugos alakú (golyóágyas reaktor)
• Ekvivalens csatorna
• Más néven kazetta
• Fűtőelemek négyzet vagy háromszögrácsban
• Esetleg körülveszi kazettafal (palást)
• A legkisebb önálló egységként mozgatható komponens
• Többnyire néhány száz fűtőelem
Komponenesek - Fűtőelemköteg
Komponensek - Szabályozás
• Erős (termikus) neutronabszorbens
• Feladata– Szabályozás– Reaktivitástartalék lekötése
• Formája lehet– Mozgatható rúd vagy kazetta– Fixen beépített elem (kiégő méreg)– Hűtőközegben feloldva (bórsav)
Komponensek – In core műszerek
• A reaktoron belül elhelyezett mérőberendezések
• Neutronfluxus SPND-vel (self powered neutron detector)
• Neutronfluens aktivációs detektorokkal
• Hőmérséklet termoelemekkel
Komponensek – Aktív zóna
• Az önfenntartó láncreakció megvalósulásának helye
• Együttesen a– Fűtőelemkötegek– Moderátor– Hűtőközeg– Reaktivitáskompenzáló és
szabályozóelemek
Komponensek - Reflektor
• Az aktív zónát veszi körbe
• Visszaszórja a kiszökő neutronokat
• Anyaga: mint a moderátorok
Komponensek – Termikus védelem
• Az aktív zóna és a reaktortartály között
• Csökkenti a tartály sugárkárosodását
• A reflektor is lehet
• Az aktív zónát és kisegítő elemeit tartalmazza
• Megfelelő nyomásra tervezett
• Hűtőközeg ki- és bevezetések
• Kábelek, csövek tömített átvezetése
Komponensek - Reaktortartály
Néhány fontos fogalom
• Aktív alkatrész: reaktoron kívülről irányított vagy működtetett (szelep, szabályozórúd, stb)
• Passzív alkatrész: funkciójának teljesítéséhez nincsen szükség külső működtetésre (tartályok, csövek, hőcserélők, hasadási tárcsák)
• Passzív védelem: olyan védelmi mechanizmus, ami csak a passzív alkatrészek működésén és alapvető természeti törvényeken (nyomáskülönbség, természetes cirkuláció, stb) alapszik
• Inherens biztonság: nem kívánatos jelenség maga váltja ki a lassítására és visszafordítására ható folyamatokat – passzív védelmen alapul
Hűtés és moderátor
VízHűtőközeg
Nyomott csövesNyomott tartályosNyomás kezelése
NyomottvizesElgőzölögtetőForrás szerint
Egyéb
Különféle moderátorok:•könnyűvíz•nehézvíz•grafit•gyorsreaktor
Kapcsolási sémák - Egykörös
• A reaktor hűtőközege közvetlenül hajtja a turbinát, pl. a hűtővíz felforr
• A turbina radiaktívan szennyezett munkaközeget kaphat
Kapcsolási sémák - Kétkörös
• A reaktor hűtőközege és a turbina munkaközege elkülönül – csak a hőcserélő a kapcsolat
Kapcsolási sémák - Másfélkörös
• Hűtővíz felforr• Gőzszárítás a különálló gőzdobban• Az egykörösnek egy speciális esete
Kapcsolási sémák – Kétkörös, külön moderátorkörrel
• Lényegében azonos a kétkörössel• Az elkülönült moderátort is hűteni kell
Kapcsolási sémák - Háromkörös
• A reaktor hűtőrendszerét és a hőerőgépet egy újabb kör választja el
ReaktortípusokTípus Moderátor Hűtőközeg H.Közeg
forr?Szerkezet Elnevezés
(Példa)
Nyomottvizes Könnyűvíz Könnyűvíz Nem 2 kör,
Ny. Tartály
PWR, VVER(Biblis, Paks)
Forralóvizes Könnyűvíz Könnyűvíz Igen 1 kör,
Ny. tartály
BWR(Barsebäck)
Nehézvizes Nehézvíz Nehézvíz Nem 2 kör,
Ny. Csövek
CANDU
(Cernavoda)
Forralóvizes csatornareaktor
Grafit Könnyűvíz Igen 1,5 kör,
Ny. Csövek
RBMK
(Csernobil)
Fémhűtéses gyorsreaktor
Nincs Nátrium - 3 kör,
-
Superphénix,
Monju
Gázhűtésű Grafit CO2, He - 2 kör,
-
Magnox, AGR, HTGR
Fűtőelemek és fűtőelemkötegek
• Az atomreaktor legjobban igénybevett komponense• Tervezési szempontok• Reaktorfizikai szempontból megfelelő geometria,
anyagok (abszorbció)• Hőátadási, hővezetési és hűtőközegáramlási
szempontból megfelelő geometria és anyagválasztás• Hermetikusság – mindent benntartani, üzemi, tranziens
és üzemzavari szituációkan is• Gyártástechnológia• Gazdaságosság
Fűtőelemek
• Manapság már kizárólag henger alakú– Régebben síklapok
• Kerámia pasztillák (UO2)
– Régebben fém és karbid is volt
• Burkolat cirkónium– Csekély neutronabszorbció– Jó mechanikai tulajdonságok– Sugárállóság– Régebben acél
Fűtőelemek
• Pasztillák kb. 1cm x 1cm• A hőterheléstől kihasasodnak
– Homorú felülettel gyártják• Hasadási termékek – a „mátrix” megfogja• Furat a pasztillában
– A hasadási gázoknak hely kell– Hőtechnikailag hasznos
Fűtőelemek
• Hosszú csőben pasztillák• Rugó szorítja le• Hermetikus lezárás• Profilirozás lehet – a dúsítás axiálisan változik• Kiégő mérgek reaktivitáslekötésre – Gd2O3
LWR
VVER-440
RBMK
Kötegek
• A fűtőelemek mechanikai összetartása• Hőtechnikai, termohidraulikai feltételek• Kiégő mérgek elhelyezése• Műszerezettség, detektorok elhelyezése• Fűtőelemek védelme az esetleges törmeléktől,
stb.• Megfogási lehetőség• Állapotellenőrzés, szétszerelhetőség – nagy
aktivitásnál is• Azonosíthatóság
Kötegek - BWR
• Négy kötegből álló blokkok• Közöttük szabályozólemezek• Kihúzott szabályozónál a helyén víz – termikus csapda - profilírozás
Kötegek - BWR
• Siemens• Középen vízcsatorna
Kötegek - PWR
• Négyzetes elrendezés• Az abszorbensek fésűszerűen nyúlnak be a kazettába –
egyes pozíciókban nincsen pálca• Nincsen külső burkolat – régebben volt• Távtartó rácsok, keverők, törmelékfogók
Kötegek - PWR
• Siemens• Fej leszerelhető• Pálcacsere
lehetősége• Fejlesztés iránya:
növelni a kiégetést
Kötegek – VVER-440
• „Szovjet PWR”• Háromszögrács• Hatszögletes alak• Fésűs abszorbens helyett szabályozó- és követőkazetták• Kazettaburkolat – még• Törmelékfogó rács nincsen• A VVER-1000 a PWR kazettákra hasonlít, de hatszöges
Kötegek – Nyomottcsöves reaktorok
• A fűtőelemet közvetlenül körülveszi a nyomástartó cső• Célszerű henger alakúnak lennie• A moderátor a nyomott csövön kívül van• Szorosan elhelyezett pálcák• Körkörös elrendezés• CANDU
– moderátor és hűtőközeg gázzal elválasztva– a calandria
RBMK
CANDU
CANDU
Nyomottvizes reaktor
• Két elkülönült hűtőkör• A primer körben a hűtővíz nem forr
Hagyományos PWR
• Felépítés– Zónpalást, zónakosár– Leszálló akna, Termikus
védelem– Reaktortartály
• Víz útja– Belépő csőcsonk– Leszálló akna– Tartályfenék– Kazetták– Felső keverőtér– kilépő csőcsonk
Hagyományos PWR• Szabályozók felülről
hajtva• Részhosszúságú
szabályozórudak– Xenonlengés kezelésére
• Nagy reaktivitástartalék• Bórsavas szabályozás• Kiégő mérgek
VVER-440
• Magyarországon is üzemel• Reaktortartály magasabb –
Követőkazetták• Ki- és belépő csőcsonkok
egymás felett
Továbbfejlesztett PWR-ek
• A reaktorok teljesítményének növekedése megállt– Hálózatszabályozási és gazdasági okokból
• Új törekvések• Biztonság, passzív védelem (Csernobil)• Változó terhelésvitel• Gazdaságosság
– Egységesítés– Engedélyezés és építés gyorsítása– Élettartam növelése
• A radioaktív hulladékok mennyiségének csökkentése• Ember-gép kapcsolat, szakértői rendszerek• Az EPR is ilyen (Finnország, Franciaország)
Elgőzölögtető reaktorok (BWR)
• Kisebbségben maradtak a PWR-ek mellett• Egykörös séma• Léteznek természetes cirkulációs verziók is
Elgőzölögtető reaktorok (BWR)
• Gőzszárító az aktív zóna felett
• Szabályozás hajtása az aktív zóna alatt
• A víz gőztartalma axiálisan változik– Moderáltság nem
egyenletes
• Nagy a jelentősége a kiégő mérgeknek – bórsav nem használható
Elgőzölögtető reaktorok (BWR)
• Recirkulációs kör (30%)
• Vízsugárszivattyú
Nehézvizes reaktorok
• A nehézvíz– Drága– Lassítóképessége gyengébb– Befogási hatáskeresztmetszete kisebb
• Takarékoskodni, kímélni a szennyezéstől– Hőerőgépben nem használják - kétkörös
• Nagy méretű aktív zóna• Természetes uránnal is építhető• Nyomott tartályos változat ritka (nagy tartály kell)• Nyomott csöves megoldás terjedt el (CANDU)
CANDU
• Hűtőközeg és moderátor elválasztva
• Cirkónium hűőcsövek– nagy nyomás – vastag fal
• Calandriatartály– nem visel nyomást
• Moderátorhoz hűtőrendszer szükséges
• A csövek felében ellenkező irányú áramlás– egyenletesség
CANDU
• Vízszintes aktív zóna• Rövid fűtőelemek
– Gyors cserélhetőség– Átrakás üzem közben– Csekély reaktivitástartlék
• Gázréteg a nyomott cső és a moderátor között
• Csökkenti a hőveszteséget
nyomott csõ fûtõelemköteg
nyomástartó csõ/végszerelvény csatlakozás
calandria csõ/csõfal csatlakozás
calandria csõ
reaktortartály (calandria)
gázgyûrû csõfal távtartó
tápvízvezeték
homlokvédelem
gyûrûs fúvók
vég-szerelvény
védõdugózáródugó
záródugó
CANDU
• Üregtényező pozitív• Reaktivitástartalék kevés• Szabályozórudak vízszintesen• Könnyűvíztartalmú csatornák
(itt méreg)• GdNO3 befecskendező
rendszer• Rendkívül rugalmas
üzemanyaggazdálkodás (dúsítás nélkül, reprocesszált, fegyverplutonium)
Egyéb típusok – Gázhűtéses (Magnox, HTGR)
• Hűtőközeg CO2 (korrozív) vagy He
• Grafitmoderátorral vagy anélkül
• Pebble bed reaktor – jó proliferációs tulajdonságok
• Tenyésztésre is alkalmas (Th)
RBMK
• Az egyetlen Urán – Graft – Könnyxűvíz reaktor
• Csatornás szerkezet• Nagyon jó gazdasági
adatok• Katonai megfontolások
– Fegyverplutonium gyártására rendkívül alkalmas
• Biztonsági problémák– Pozitív üregtényező– Csernobil– Nyugaton leállították az
ilyen a reaktorokat
Gyorsreaktorok
• Hatékony tenyésztők:
• ~1.2 tenyésztési tényező
• Nátriumhűtés
• Három hűtőkör
• Technológiailag nagyon bonyolult
• Többségüket leállították (Nátriumtűz)