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, 232Pu, 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 tomített 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 törméléktől,

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)