Dr. Trampus Péter egyetemi tanár 06 20 9855970 trampus@mk.unideb.hu

1. ATOMREAKTOROK ANYAGAI • Dr. Trampus Péter • egyetemi tanár • 06 20 9855970 • trampus@mk.unideb.hu

2. A tárgy követelmény rendszere • 2 előadás • 1 zárthelyi dolgozat (2010. 05. 14.) • kollokvium 3 kredit

3. A tárgy célkitűzése Bemutatni • az atomreaktorokban alkalmazott anyagokat és tulajdonságaikat, • a reaktor-specifikus károsodási mechanizmusokat (különös tekintettel a sugárkárosodásra), és ezek vizsgálatának módszereit, • az atomerőművek élettartam gazdálkodásának elveit

4. A tárgy vázlata • Reaktortechnikai alapfogalmak • Reaktorok jellemző terhelése és igénybevétele • Anyagokkal szemben támasztott követelmények • Fémtani alapismeretek (ismétlés) • Sugárzás és anyag kölcsönhatása (sugárkárosodás) • Reaktortartály sugárkárosodás felügyeleti program • Reaktortartály szerkezeti integritásának elemzése (törésmechanikai alapok) • Karbantartás, ellenőrzés, felülvizsgálat, próba, minőségbiztosítás • Élettartam gazdálkodás, üzemidő hosszabbítás

5. Anyagok • Fűtőelemek, üzemanyagok, burkolatanyagok, • Moderátor anyagok, • Reaktivitás kompenzálás és szabályozás anyagai • Hűtőközeg anyagai • Szerkezeti anyagok (acélok, nikkel ötvözetek, alumínium ötvözetek) • Ferrites-perlites szerkezetű acélok (reaktortartály anyaga) • Ausztenites szerkezetű acélok

6. Ajánlott irodalom • Csom: Atomerőművek üzemtana, I. kötet, Műegyetemi Kiadó, 1997 • Geraszimov – Monahov: A nukleáris technika anyagai, Műszaki Könyvkiadó, 1981 • Ginsztler – Hidasi - Dévényi: Alkalmazott anyagtudomány, Műegyetemi Kiadó, 2000 • Prohászka: A fémek és ötvözetek mechanikai tulajdonságai, Műegyetemi Kiadó, 2001

11. Lifetime Energy Availability Factor

12. Fogalmak (1) • Atomreaktor: műszaki létesítmény, amelyben a maghasadáson alapuló önfenntartó láncreakció szabályozott formában, külső neutronforrás nélkül megvalósítható • Atomerőmű: egy vagy több atomreaktor segítségével villamos energiát (ritkábban hőt) termelő üzem • Maghasadás: nehéz atommag szétválása két közel azonos tömegű részre; neutron- és gammasugárzással jár; előidézője az atommagba behatoló neutron • Láncreakció: reakciósorozat, amelyben az egymást követő reakciók egymáshoz kapcsolódnak, a sorban következő reakciók feltételét a megelőző reakciók teremtik meg

13. Fogalmak (2) • Sokszorozási tényező (k): az a szám, amely megmutatja, hogy egy adott pillanatban lezajló hasadásból származó neutronok a következő generációban hányszor több (kevesebb) hasadást hoznak létre k = 1 kritikus állapot k < 1 szubkritikus állapot k > 1 szuperkritikus állapot Önfenntartó láncreakció feltétele: k ≥ 1 • Neutron fluxus (Φ): egységnyi idő alatt egységnyi felületen átáramló neutronok száma (n/m2s) • Neutron fluencia (F): a neutron fluxus időintegrálja az adott időintervallumra (n/m2)

14. Atomerőművek (1) Reaktor típusa szerint: • Könyűvizes reaktor (Light Water Reactor, LWR) • Nyomottvizes (Pressurized WR, PWR; VVER) • Elgőzölögtető (Boiling WR, BWR) • Jelenleg üzemelők több mint 80%-a • Nehézvizes reaktor (Pressurized Heavy WR, PHWR) • Grafitmoderátoros reaktor • Gáz (CO2, He) hűtésű (Gas-Cooled Graphit-Moderated Reactor, GGR; Advanced GR, AGR; High-Temperatur GR, HTGR) • Könnyűvizes elgőzölögtető (LWGR = RBMK) • Gyorsreaktor (Fast Breeder Reactor, FBR)

15. Atomerőművek (2) Technológiai fejlesztés foka szerint: • Első generációs atomerőművek (1950-60) • Második generációs atomerőművek (jelenleg üzemelők ~90 %-a) • Harmadik generációs atomerőművek (evolúciós típusok) • Negyedik generációs atomerőművek (innovatív típusok) – a jövő atomerőművei

16. Technológiai fejlesztés fokozatai I. generáció II. generáció • Korai • prototípusok: • Shippingport • Dresden • Fermi I • Magnox III. generáció • Kereskedelmi • típusok: • PWR / BWR • PHWR • AGR • VVER / RBMK IV. generáció • Evolúciós • típusok: • ABWR • AP 600 • System 80+ • EPR • Innovatívtípusok: • gázhűtésű gyors • folyékony-fém hűtésű gyors • sóolvadék hűtésű • szuperkritikus vízhűtésű • igen nagyhőmérsékletű VVER-440/V-179 VVER-440/V-230 Korai RBMK 1950 1970 1990 2010 2030

17. Jövő atomerőműveivel szemben támasztott követelmények • A villamos energia árának versenyképesnek kell lennie más energiahordozókkal szemben • Alacsony pénzügyi kockázat (építési költségek: 1000 USD/kW, építési idő 3 - 4 év) • A biztonságot a közvélemény előtt is bizonyítani kell tudni • A radioaktív hulladék mennyiségét jelentősen csökkenteni kell • A teljes fűtőelem ciklusnak érzéketlennek kell lennie katonai célú felhasználásra

18. PWR / VVER kapcsolás T ~ 250 - 350 ˚C p ~ 120 – 160 bar acélok (ferrites, ausztenites) Zr-ötvözetek T ~ 230 – 280 ˚C p ~ 40 – 70 bar acélok (ferrites) Ti (kondenzátor)

19. Paks

20. Főberendezések főkeringtető szivattyú gőzfejlesztő térfogat- kiegyenlítő főelzáró tolózár főkeringtető vezeték reaktor

21. Jellemző PWR / VVER terhelési viszonyok • Nukleáris folyamat (hasadás): • Hőfejlődés • üzemanyag pálca középpontjában: ~ 1800 ˚C • hűtőközegé (reaktortartály fala): ~ 300 ˚C • Sugárzás: EOL fluencia = 1022 – 2,6·1024 n/m2 (E > 0,5/1 MeV) • Belső nyomás (elgőzölgés megakadályozása) • Hűtőközeggel való érintkezés • Állandósult üzem • Ciklikusság • Tervezett leállások • Rezgések • Hőmérséklet fluktuáció • Fémek érintkezése

22. Igénybevétel – károsodás (öregedés) • Belső nyomás → alakváltozás / feszültség • Hűtőközeg → erózió, eróziós korrózió (Flaw Accelerated Corrosion, FAC), korrózió • Meleg és sugárzás → termikus öregedés, sugárkárosodás • Ciklikusság → fáradás (kis- és nagyciklusú, Low-Cycle Fatigue, LCF; High-CF, HCF) • Tartós üzem→ tartósfolyás (kúszás) – nem jellemző • Fémek érintkezése → kopás, korrózió

23. Károsodási folyamatok következményei • Termikus öregedés→ szívósság csökkenés→ instabil repedés terjedés, törés • Sugárkárosodás → szívós-rideg átmeneti hőmérséklet(Ductile-Brittle Transition Temperature, DBTT)növekedés, szívósság csökkenés→ instabil repedés terjedés, törés • Erózió, eróziós korrózió → anyagfogyás→ falvastagság csökkenés, felszakadás • Fáradás → fáradásos repedés keletkezése és terjedése→ teherhordó keresztmetszet csökkenése, törés vagy felszakadás • Korrózió → anyagfogyás, korróziós repedés keletkezése és terjedése→ falvastagság csökkenés, felszakadás vagy törés • Kopás → anyagfogyás→ falvastagság csökkenés, felszakadás vagy törés

24. Lehetséges károsodások és szinergiáik HŰTŐKÖZEG ANYAG korrózió törés, kúszás, relaxáció feszültségkorrózió (SCC) ● FESZÜLTSÉG ● ● ÜZEMI HŐMÉRSÉKLET ● ● ● ● ● SUGÁRZÁS sugárzásos feszültségkorrózió (IASCC) sugárzásos kúszás, sugárzásos relaxáció radiolízis „sugárkárosodás” sugárzásos korrózió

25. Anyagokkal szemben támasztott követelmények (1) Gyárthatósági (technológiai) követelmények: • Jó feldolgozhatóság • önthetőség, • hegeszthetőség, • kovácsolhatóság, • forgácsolhatóság • Kis repedésképződési hajlam • hegesztés • hőkezelés • Átnemesíthetőség (mechanika tulajdonságok homogenitása) • Vizsgálhatóság • szemcseméret, struktúra zavaró hatása (pl. ausztenites szerkezet)

26. 1300 MW (KWU) VVER-1000

27. Reaktortartály (a) hajlított lemezekből, (b) kovácsolt övekből

28. Anyagokkal szemben támasztott követelmények (2) Üzemeltetési, karbantartási követelmények: • szilárdság, szívósság üzemi hőmérsékleten • alacsony sugárkárosodási hajlam (reaktor) • alacsony elridegedési hajlam • korrózióállóság • kifáradással szembeni ellenállás • hosszú felezési idejű izotópokat képező elemek alacsony hányada • jó vizsgálhatóság (roncsolásmentes) • jó hegeszthetőség (javítás) • speciális követelmények (pl. kis neutronbefogási hatáskeresztmetszet, hőtágulási / hővezetési tényező)

29. Összefoglalás (anyagtudományi kitekintés) • „Hagyományos” (szerkezeti) anyagok alkalmazása • Acélok • Ni-, Zr-, Al-alapú ötvözetek • Fejlesztésük evolúciós alapon történt (gyártástechnológia javítása, üzemelési paraméterek módosítása, karbantartás optimalizálása) • Jövő atomerőműveire is jellemző (fúziósra nem!) • Konzervatív technológia