Reaktortechnika A z energetikai atomreaktorok szerkezeti felépítése

1. ReaktortechnikaAz energetikai atomreaktorok szerkezeti felépítése

2. Tartalom • Komponensek – elnevezések • Kapcsolási sémák • Fűtőelemek és fűtőelemkkötegek • Energetikai reaktortípusok • Nyomottvizes reaktorok • Elgőzölögtető reaktorok • Nehézvizes reaktorok • Egyéb reaktortípusok

3. Atomerőmű - Atomreaktor Atomerőmű: 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

4. 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

5. 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

6. 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)

7. 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

8. Komponensek - Hűtőcsatorna • A fűtőelemek közötti térrész, ahol a hűtőközeg áramlik • Lehet zegzugos alakú (golyóágyas reaktor) • Ekvivalens csatorna

9. Komponenesek - Fűtőelemköteg • Más néven kazetta • Fűtőelemek négyzet vagy háromszögrácsban • Esetleg körülveszi kazettafal (palást) • A legkisebb önálló egységként mozgatható komponens • Többnyire néhány száz fűtőelem

10. Komponensek - Szabályozás • Erős (termikus) neutronabszorbens • Feladata • Szabályozás • Reaktivitástartalék lekötése • Formája lehet • Mozgatható rúd vagy kazetta • Fixen beépített elem (kiégő méreg) • Hűtőközegben feloldva (bórsav)

11. Komponensek – In core műszerek • A reaktoron belül elhelyezett mérőberendezések • Neutronfluxus SPND-vel (self powered neutron detector) • Neutronfluens aktivációs detektorokkal • Hőmérséklet termoelemekkel

12. Komponensek – Aktív zóna • Az önfenntartó láncreakció megvalósulásának helye • Együttesen a • Fűtőelemkötegek • Moderátor • Hűtőközeg • Reaktivitáskompenzáló és szabályozóelemek

13. 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

14. Komponensek - Reaktortartály • Az aktív zónát és kisegítő elemeit tartalmazza • Megfelelő nyomásra tervezett • Hűtőközeg ki- és bevezetések • Kábelek, csövek tömített átvezetése

15. 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

16. Hűtés és moderátor Elgőzölögtető Nyomottvizes Forrás szerint Víz Egyéb Hűtőközeg Nyomott tartályos Nyomott csöves Nyomás kezelése • Különféle moderátorok: • könnyűvíz • nehézvíz • grafit • gyorsreaktor

17. Kapcsolási sémák - Egykörös • A reaktor hűtőközege közvetlenül hajtja a turbinát, pl. a hűtővíz felforr • A turbina radiaktívan szennyezett munkaközeget kaphat

18. Kapcsolási sémák - Kétkörös • A reaktor hűtőközege és a turbina munkaközege elkülönül – csak a hőcserélő a kapcsolat

19. Kapcsolási sémák - Másfélkörös • Hűtővíz felforr • Gőzszárítás a különálló gőzdobban • Az egykörösnek egy speciális esete

20. Kapcsolási sémák – Kétkörös, külön moderátorkörrel • Lényegében azonos a kétkörössel • Az elkülönült moderátort is hűteni kell

21. Kapcsolási sémák - Háromkörös • A reaktor hűtőrendszerét és a hőerőgépet egy újabb kör választja el

22. Reaktortípusok

23. 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

24. 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

25. 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

26. Fűtőelemek LWR • Hosszú csőben pasztillák • Rugó szorítja le • Hermetikus lezárás • Profilirozás lehet – a dúsítás axiálisan változik • Kiégő mérgek reaktivitáslekötésre – Gd2O3 VVER-440 RBMK

27. 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

28. Kötegek - BWR • Négy kötegből álló blokkok • Közöttük szabályozólemezek • Kihúzott szabályozónál a helyén víz – termikus csapda - profilírozás

29. Kötegek - BWR • Siemens • Középen vízcsatorna

30. Kötegek - PWR • Négyzetes elrendezés • Az abszorbensek fésűszerűen nyúlnak be a kazettába – egyes pozíciókban nincsen pálca • Nincsen külső burkolat – régebben volt • Távtartó rácsok, keverők, törmelékfogók

31. Kötegek - PWR • Siemens • Fej leszerelhető • Pálcacsere lehetősége • Fejlesztés iránya: növelni a kiégetést

32. 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

33. Kötegek – Nyomottcsöves reaktorok CANDU RBMK • 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 CANDU

34. Nyomottvizes reaktor • Két elkülönült hűtőkör • A primer körben a hűtővíz nem forr

35. Hagyományos PWR • Felépítés • Zónpalást, zónakosár • Leszálló akna, Termikus védelem • Reaktortartály • Víz útja • Belépő csőcsonk • Leszálló akna • Tartályfenék • Kazetták • Felső keverőtér • kilépő csőcsonk

36. Hagyományos PWR • Szabályozók felülről hajtva • Részhosszúságú szabályozórudak • Xenonlengés kezelésére • Nagy reaktivitástartalék • Bórsavas szabályozás • Kiégő mérgek

37. VVER-440 • Magyarországon is üzemel • Reaktortartály magasabb – Követőkazetták • Ki- és belépő csőcsonkok egymás felett

38. 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)

39. Elgőzölögtető reaktorok (BWR) • Kisebbségben maradtak a PWR-ek mellett • Egykörös séma • Léteznek természetes cirkulációs verziók is

40. 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

41. Elgőzölögtető reaktorok (BWR) • Recirkulációs kör (30%) • Vízsugárszivattyú

42. 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)

43. 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

44. CANDU • Vízszintes aktív zóna • Rövid fűtőelemek • Gyors cserélhetőség • Átrakás üzem közben • Csekély reaktivitástartlék • Gázréteg a nyomott cső és a moderátor között • Csökkenti a hőveszteséget

45. CANDU • Üregtényező pozitív • Reaktivitástartalék kevés • Szabályozórudak vízszintesen • Könnyűvíztartalmú csatornák (itt méreg) • GdNO3 befecskendező rendszer • Rendkívül rugalmas üzemanyaggazdálkodás (dúsítás nélkül, reprocesszált, fegyverplutonium)

46. Egyéb típusok – Gázhűtéses (Magnox, HTGR) • Hűtőközeg CO2 (korrozív) vagy He • Grafitmoderátorral vagy anélkül • Pebble bed reaktor – jó proliferációs tulajdonságok • Tenyésztésre is alkalmas (Th)

47. 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

48. Gyorsreaktorok • Hatékony tenyésztők: • ~1.2 tenyésztési tényező • Nátriumhűtés • Három hűtőkör • Technológiailag nagyon bonyolult • Többségüket leállították (Nátriumtűz)