A nukleáris energia felszabadulásának lehetőségei

Maghasadáson alapuló energiatermelés alapjai, láncreakció.

Atomrektorok, atomerőművek. Atombomba.

Termonukleáris energia. Fúzió a Napban fúzió a Földön.

Anyagfejlődés, csillagászat. Ősrobbanás, háttérsugárzás

 

A nukleáris energia felszabadulásának lehetőségei:

 

Az atommagok fajlagos kötési energia – görbéjének alapján a nukleáris energia az atommagokból háromféleképpen szabadulhat fel:

¾ Nehéz atommagok hasadásával ( fisszióval),

¾ Atommagok radioaktív bomlásával.

¾ Könnyű atommagok egyesülésével ( fúzióval),

A nehézatommagok hasadása mesterségesen - szabályozott módon - az atomreaktorokban, szabályozatlanul pedig a hasadó atombombákban valósul meg.

A radioaktív bomlás a természetben előfordul a nehéz atommagoknál, és egyes könnyű magoknál is. Mesterségesen is előállíthatók magreakciókkal radioaktív izotópok. Egyik előállítási mód a neutronokkal történő besugárzás. Ezt nevezzük neutron aktiválásnak.

A fúzió a természetben a Nap és más csillagok energiatermelését biztosítja. Mesterségesen szabályozatlan módon a termonukleáris bombáknál valósítható meg. Szabályozott módon -fúziós reaktorokban -, energiatermelés céljából történő megvalósítására néhány évtized múlva lesz lehetőség.

 

Maghasadáson alapuló energiatermelés alapjai, láncreakció.

Láncreakció azáltal jön létre, hogy az atom ütközik lassú neutronnal, a hasadás folyamán 2, vagy 3 lassú neutron is létrejön:

                 (a4.1)

 

                  (a4.2)

 

 

A maghasadást erős radioaktivitás (b-bomlás) kíséri:

 

               (a4.3)

 

Atomrektorok, atomerőművek. Atombomba.

 

Példa: 200 MW hőteljesítmény urán maghasadásából a következő mennyiséget igényli:

        200 MW = 2 108 W = N 34 10-12 J/s;           N= 6 1018 db/s;

        NA = 6 x 1023 db atom/mol     uránból 1 mol = 235 g/mol;  (megj.: 1 eV=1,6 10-19 J= 0,16 aJ).

Egész napi atomszám= N t = 6x1018 db/s 8,64x104 s= 5 1023 db atom/nap= 200 g/nap

Uránérc 10 ppm koncentrációjú, napi 20 tonna ércből nyerhető.

- szabályozható láncreakció: atomreaktor (első 1942, Magyarországon Paks)

 

A Paksi Atomerőmű Vállalat 1976-ban alakult meg, és 1992 óta részvénytársaságként működik.

A paksi atomerőműben 4 darab VVER-440/213 típusú reaktor működik. Ezek a rektorok a nyomottvizes reaktorok (PWR) csoportjába tartoznak. A névleges villamos teljesítménye a különböző fejlesztéseknek köszönhetően az összes blokkon 460 MW-ra és a 4. blokkon 1999 óta 470 MW-ra nőtt. A paksi atomerőmű elektromos összteljesítménye így 1850 MW. A reaktorok hőteljesítménye egyenként 1375 MW, ebből kiszámolható a hatásfok: kb. 34%.

 

Az aktív zóna a függőleges elhelyezésű, hengeres reaktortartályban található, melynek teljes magassága 13.75 m, külső átmérője 3.84 m. A tartály acélból készült, falvastagsága az aktív zóna magasságában 14 cm, belülről pedig 9 mm vastag rozsdamentes acél bevonattal van ellátva a korrózióvédelem céljából. A tartályon különböző magasságban helyezkedik el a hűtőközeg be- és kivezetésére szolgáló hat belépő és hat kiömlő csonk.

 

Az atomreaktor teljes élettartamát a reaktortartály élettartama határozza meg, ezt a hatalmas berendezést ugyanis nagyon költséges lenne kicserélni. A tartály anyagának kristályszerkezete azonban az állandó neutronsugárzás hatására rongálódik, emiatt az atomerőművek méretezési (tervezett) üzemideje 30-40 év.

 

A névleges állapotban 297 ^oC-ra felmelegedett víz az ún. melegágon lép ki a reaktorból, és jut el a gőzfejlesztőbe. A gőzfejlesztő hatalmas (2.3 m átmérőjű, 12 m hosszú), fekvő henger alakú hőcserélő, amelyben a víz hőjének egy részét átadja a szekunder kör vizének, miközben a primer köri víz 267 ^oC-ra hűl le. A radioaktív primer köri víz a gőzfejlesztőben 5536 db 16 mm átmérőjű fűtőcsövön áramlik át, így forralva fel a gőzfejlesztőben lévő inaktív szekunder köri vizet. A tartályban 325 ^oC-os, telített állapotú víz, és felette gőzpárna található. A gőzfejlesztőben lévő 223 ^oC-os, 46 bar nyomású tápvizet a csövekben keringő 297 ^oC-os primer köri víz 258^oC-ra melegíti, és ezen a hőmérsékleten felforralja.

 

A gőzfejlesztőből kilépő, mintegy 450 t/h tömegáramú gőz meghajtja a turbina lapátjait. A már munkát végzett gőz a kondenzátorba kerül, ahol csaknem 13 000 csőben a Dunából kivett hűtővíz áramlik. A hűtőcsöveken a gőz kb. 25^oC-os hőmérsékleten lekondenzálódik. A cseppfolyósodott munkaközeget különböző tisztító és előmelegítő berendezéseken keresztül a tápszivattyúk visszajuttatják a gőzfejlesztőbe. Az előmelegítésre az erőmű jobb hatásfoka miatt van szükség. Az előmelegítést a turbináról vett gőzzel végzik, melynek során a kondenzátorból kilépő 25^oC hőmérsékletű víz 9 hőcserélőben végezetül 223^oC hőmérsékletűre melegszik fel. A tápvíz ezen a hőmérsékleten lép be a gőzfejlesztőbe, ahol újra átveheti a primer köri víz hőjét.

 

A reaktor üzemanyaga urán-dioxid (UO₂), amit kb. 9 mm magas, 7.6 mm átmérőjű hengeres pasztillákká préselnek. Az uránpasztillákat egy cirkónium-nióbium ötvözetből készült, 2.5 m hosszú, 9 mm külső átmérőjű csőbe (a burkolatba) helyezik, amit feltöltenek hélium-gázzal, és ezután hermetikusan lezárnak. A burkolat megakadályozza a hasadványok kikerülését a hűtővízbe A kazettákban lévő UO₂ üzemanyag dúsítása 1.6, 2.4, vagy 3.6 % lehet, de egy kazettában rendszerint csak azonos dúsítású fűtőelemek vannak. A kazetták 14.4 cm laptávolságúak. Az aktív zónában összesen 349 kazetta fér el, ebből az üzemanyagkötegek száma 312.

 

A VVER-440 típusban a láncreakció szabályozásához a fűtőelem kötegekkel azonos méretű abszorbens (bóracélból készült) kazettákat használnak, amelyek felülről lógnak be a zónába. A reaktorban összesen 37 ilyen szabályozó és biztonságvédelmi kazetta van, amelyek közül üzem közben 30 állandóan kihúzott állapotban, az aktív zóna fölött helyezkedik el.

 

Az aktív zónát a 312 db üzemanyagkazetta, a 37 db abszorbensrúd és a moderátor szerepét is betöltő hűtővíz alkotja. Az atomerőművet indulása után egy évvel leállítják, és kiszedik a már kiégett, eredetileg 1.6% dúsítású kazettákat, és helyükre az eredetileg 2.4% dúsítású kazettákat rakják. A 3.6% kezdeti dúsításúakat is átrakják (a 2.4%-osak helyére), és helyettük friss (3.6%-os) üzemanyagot raknak a zónába. Ezután az erőművet évente leállítják, és kiveszik a leginkább kiégett üzemanyagkazettákat. A többi üzemanyagkazettát a fentiek szerint átrakják, és friss üzemanyagot is betesznek. A kezdeti töltetet kivéve tehát minden kazetta három évet tölt a reaktorban.

 

A paksi atomerőmű fűtőanyaga enyhén dúsított urán-dioxid, amelyből egy reaktorban 42 tonnányi mennyiséget helyeznek el. Az elhasználódás (kiégés) után a nukleáris fűtőanyag-kötegeket áthelyezik a reaktor melletti pihentető medencébe, ahol víz alatt tárolják azokat.

 

A radioaktív hulladékok csoportosítása:

Def.: Aktivitásnak nevezzük az 1 másodperc alatt bekövetkező bomlások számát. (Adott minta aktivitásánál az egész mintában bekövetkezett bomlásokat kell venni.) Az aktivitás mértékegysége a Becquerel: 1 Bq=1 bomlás/másodperc.

 

Ezenkívül még többféle aktivitásegységet is bevezethetünk:

·         fajlagos aktivitás: tömegegységre jutó bomlások száma másodpercenként (Bq/g, Bq/kg stb.),

·         aktivitáskoncentráció: térfogategységre eső aktivitás (Bq/m³, Bq/l stb.),

·         felületi aktivitás: felületegységre eső aktivitás (Bq/cm², Bq/m² stb.).

Például a kálium 40-es izotópjának fajlagos aktivitása 30.4 Bq/g, azaz 1 g tiszta K-40-ben másodpercenként átlagosan 30.4 bomlás történik. A természetes urán fajlagos aktivitása 2.54⁴ Bq/g.

 

Az aktivitás fogalmának ismeretében érthető a radioaktív hulladékok csoportosítása:

·         kis aktivitású hulladék: 500 000 Bq/kg alatt

·         közepes aktivitású hulladék: 500 000 Bq/kg és 5 000 000 kBq/kg között

·         nagy aktivitású hulladék: 5 000 000 kBq/kg felett.

Az emberi test is tartalmaz természetes radioaktív izotópokat. Ezek közül a kálium-40 aktivitása a legnagyobb: egy 75 kg-os ember K-40-ből származó aktivitása kb. 7300 Bq, vagyis másodepercenként kb. 7300 darab kálium-40-es atommag bomlik el a szervezetében

 

 

 

Anyagfejlődés, csillagászat. Ősrobbanás, háttérsugárzás.

 

A nukleonok szerkezete, kvarkmodell, mezonok szerepe

M. Gell-Mann, G. Zweig (1963)

Minden talált részecske két nagy csoportba sorolható: fermionok (eleget tesznek a Pauli elvnen), bozonok (nem tesznek eleget a Pauli elvnek).

A hadronok (többszáz) résztvesznek az erős kölcsönhatásban, a leptonok (hat) (10-18 m) nem. A hadronok (proton, neutron,  ) komplexek (1960-as évek).

A hadronok és a mezonok hat további elemi részből felépíthetők (3 kvark és 3 antikvark; u, d, s, azaz up, down, sideways; töltésük 1/3, 2/3).

A mezonok egy kvarkból és egy antikvarkból állnak össze.

        Standard modell (Kvantum színdinamika QCD)

        Nagy egyesített elmélet (Grand Unified Theory)