Az atomerőművek olyan hőerőművek, amelyek a hőenergiát nem bizonyos energiahordozó elégetésével nyerik, hanem annak reaktorában történő nukleáris láncreakcióval, atomok hasításával. Fissziós, azaz nagy tömegszámú atommagok hasításának elvén működő reaktorok azonban már több mint fél évszázada állnak az emberiség szolgálatában. Az első elektromosságot generáló nukleáris erőmű – kísérleti jelleggel – 1952. december 20-án készült el, az Amerikai Egyesült Államokban, Idaho államban, Arco város mellett. Az első közszolgálati atomerőművet Obnyinszkban (Oroszország) állították üzembe, 1954-ben. Az első generációs atomerőmű típusok még képlékeny konfigurációit megszilárdítva jöttek létre a ma is sok helyen üzemelő második generációs atomerőművek (Paks I).
Nyomottvizes atomerőmű
1. Reaktortartály 2. Fűtőelem 3. Szabályzórúd 4. Szabályozórúd hajtás 5. Nyomástartó 6. Gőzfejlesztő 7. Tápvíz 8. Nagynyomású gőzturbina 9. Kisnyomású gőzturbina 10. Generátor 11. Gerjesztőgép 12. Kondenzátor 13. Hűtővíz 14. Tápvízelőmelegítő 15. Tápvízszivattyú 16. Hűtővízszivattyú 17. Keringető szivattyú 18. Villamos távvezetékhez 19. Friss gőz 20. Beton sugárvédelem, konténment
A nyomottvizes reaktor (angolul Pressurized Water Reactor, PWR, oroszul вода-водяной энергетический реактор, ВВЭР, VVER) a nukleáris reaktorok egyik típusa, melyben a fűtőelemeket nagynyomású víz veszi körül. Ilyen típusú reaktorok találhatók Magyarországon a Paksi Atomerőműben is. A víznek kettős szerepe van, egyrészt ez szolgál moderátorként, másrészt a nagynyomású vizet hőcserélőbe vezetik, ahol a termelt hőt átadja a kisnyomású rendszernek. A nagynyomású rendszert másképpen primer körnek nevezik. A primer körbe belépő víz hőmérséklete mintegy 267 C°, melyet a nukleáris reakció körülbelül 297C°-ra melegít fel. Atmoszferikus nyomáson a víz ilyen hőmérsékleten gőz fázisban lenne, hogy ezt elkerüljék, a vizet nagy nyomás alatt tartják (100-150 bar). Ezáltal az alkalmazott nyomáshoz tartozó telítési hőmérséklet alatt marad az aktív zónából kilépő hűtőközeg (víz) hőmérséklete, így nem tud gőzzé alakulni. Éppen ezért nagyon fontos a primerköri nyomás tartása, amelyet a nyomástartó berendezés végez. Nyomáscsökkenéskor villamos fűtőtestek kapcsolnak be, míg nyomás növekedéskor a gőztérbe fecskendeznek be vizet valamelyik keringető hurok hideg ágából és így állítják helyre a nyomást. A primerköri víz gőzfejlesztőkben adja át a hőt a szekunder köri tápvíznek elforralva azt, a keletkezett gőzt azután a turbinákba vezetik. Ezzel biztosítható, hogy a reaktor aktív zónájával érintkező (és így radioaktív elemeket tartalmazó) primer köri víz zárt rendszerben kering. A primerköri rendszerek a 20-as jelű konténmentben helyezkednek el.
Forralóvizes atomerőmű
1. Reaktortartály 2. Fűtőelem 3. Szabályozórúd 4. Keringetőszivattyú 5. Szabályozórúd hajtás 6. Friss gőz 7. Tápvíz 8. Gőzturbina nagynyomású ház 9. Gőzturbina kisnyomású ház 10. Generátor 11. Gerjesztőgép 12. Kondenzátor 13. Hűtővíz 14. Tápvíz előmelegítő 15. Tápvízszivattyú 16. Hűtővízszivattyú 17. Betonsugárvédelem 18. Villamos távvezeték
A forralóvizes reaktor (angolul Boiling Water Reactor, BWR) egy könnyűvizes atomreaktor, amelyben az aktív zóna hűtését és a neutronok lassítását is a víz végzi. Sokban hasonlít a nyomottvizes reaktorhoz, azzal a különbséggel, hogy a gőzt nem a gőzfejlesztőkkel nyerik, hanem magában az aktív zónában. Az aktív zónában van a több száz fűtőelem. Az üzemanyagrúd tartalmazza a dúsított uránt urán-dioxid formájában. A hűtővíz alulról fölfelé áramlik, és egyben a moderátor szerepét is betölti.
A reaktor teljesítményét két módon szabályozzák:
- A reaktor indulása után a névleges teljesítményének 70%-áig a szabályzórudak leengedésével (illetve betolásával). A szabályzórudak jó neutronelnyelők, így könnyen leállítják a láncreakciót.
- A reaktor névleges teljesítményének 70 és 100%-a közötti intervallumában a víz keringési sebességének változtatásával. Ha a víz gyorsabban áramlik a reaktormagon keresztül, kevesebb gőzbuborék keletkezik a magban, tehát több neutron lassul le, ami megnöveli a hasított magok számát. Ha több buborék van a vízben, kevesebb neutron lassul le, tehát a hasított magok száma csökken.
Az aktív zónában keletkezett gőzt közvetlenül a turbinákra vezetik. Mivel a reaktor hűtővizében mindig találhatók radioaktív atommagok, a turbinákat szigetelni kell a külvilágtól. Ez megnöveli a karbantartási költségeket a nyomottvizes reaktorhoz képest, viszont a nagyobb hatásfok és az egyszerűbb szerkezet ellensúlyozza ezt.
Előnyei:
- egyszerű szerkezet, nincs hőcserélő
- nagyobb hatásfok
- könnyen idomul a napi, illetve heti energiaigény-ingadozásokhoz
- kisebb üzemi nyomás: 75 bar (a nyomottvizes 158 bar-hoz képest)
- alacsonyabb az üzemanyag hőfoka
Hátrányai:
- nagyobb a reaktortartály, emiatt magasabbak a megvalósítási és karbantartási költségek
- a turbinák radioaktív szennyezettsége nagyobb ellenőrzött zónát igényel
- a szabályzórudakat alulról kell betolni az aktív zónába
A CANDU atomerőmű
Atomerőmű CANDU nagynyomású nehézvizes reaktorral
A CANDU az atomreaktorok egyik típusa, ami nehézvizet használ magas nyomás alatt moderátornak is és hűtőanyagnak is. A nehézvíz moderátor miatt természetes uránnal dolgozik, ami leegyszerűsíti a tüzelőanyag elkészítését. A CANDU mozaikszó (CANada Deuterium Uranium).
A CANDU típusnak több előnye is van a hagyományos nyomottvizes reaktorokkal szemben:
- a reaktortartály több száz csővel van keresztüldöfve. Ezekben a csövekben vannak az üzemanyagrudak, amik így külön-külön elérhetők, lehetővé téve az üzem közbeni üzemanyagrúd-cserét.
- az üzemanyagrudakat könnyen át lehet helyezni – attól függően, hogy mennyi hasadóképes atommag maradt bennük
- a reaktortartálynak nem kell nyomástűrőnek lennie, mivel a moderátor csak a keresztirányú csövekben van nagy nyomás alatt.
- az alacsony nyomás és hőmérséklet miatt sokkal egyszerűbb szenzorokkal is követni lehet a reaktorban végbemenő folyamatokat
- természetes uránnal is működik, viszont a nagy mennyiségű tiszta nehézvíz óriási kezdeti kiadást jelent.
Grafit moderálású RBMK reaktor
Az RBMK reaktorok hűtési rendszerének vázlata
Az RBMK (oroszul: РБМК – Реактор Большой Мощности Канальный, magyar átírásban: Reaktor Bolsoj Mosnosztyi Kanalnij, magyarul: Csatorna-típusú, nagy energiakimenetű reaktor) szovjet grafitmoderátoros atomreaktor, melynek hűtőközege nyomás alatti csövekben elgőzölgő könnyűvíz. Ma már elavult típusnak számít. Csak Oroszországban üzemel a típus. Előnye, hogy természetes uránnal is működik, így nincs szükség drága dúsítóüzemekre. Ennél a típusnál nincs szükség zárt rekatortartályra, így elvileg igen nagyméretű reaktorok is építhetők, továbbá a hűtési rendszere miatt a fűtőelemkötegek működés közben is cserélhetők.
A működési elve megegyezik a forralóvizes reaktoréval, azzal a különbséggel, hogy a neutronokat grafittal lassítják. Ennek van egy lényeges hátránya. Ha a reaktor teljesítménye hirtelen megnövekszik, a nyomottvizes reaktor esetében a hűtővízben buborékok keletkeznek. A vízgőz-buborékokban a neutronok nem lassulnak le a termikus sebességükre, a buborékok arányának növekedésével a hasadások száma tehát csökken. Ez egy negatív visszacsatolás. A forraltvizes reaktor így sokkal biztonságosabb. Természetesen az RBMK esetében más módszerekkel szabályozzák a reaktor teljesítményét (szabályzórudak, a vízbe kevert bórsav), de ott a láncreakció elszaladásakor a már említett negatív visszacsatolás – a víz anyagú moderátor hiányában – nem jelentkezik.
Forrás: Wikipédia