Yamaji Bogdán: A jövő atomreaktora(i)

A jövő atomreaktora(i)

Yamaji BogdánNukleáris Technikai Intézet

BudapestMűszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Budapest Science Meetup, 2014. február 13.

Bp science meetup Yamaji Bogdán, BME NTI 2

Atom, atommag, nukleonok

Atom: atommag + elektronfelhő

10-10 m = 0,0000000001 m

Atommag: protonok+neutronok

10-14 m = 0,00000000000001 m

atommag


Maghasadás• 1939, Otto Hahn és Fritz

Strassmann, Lise Meitner:– neutronsugárzás hatására az

uránatom magja két közepes atommagra esik szét, eközben újabb neutronok és energia keletkezik

• A természetes urán főbb izotópjai:

99,3 %-a 238-as, 0,7 %-a 235-ös

• Az U-238-as csak igen ritkán hasad, az U-235-ös hasadása gyakorlati szempontból sokkal jelentősebb ⇒ reaktorokhoz dúsítják.

ADVENTURES INSIDE THE ATOM, General Electric, National Archives (1948)http://www.osti.gov/manhattan-project-history/Resources/adventures_atom.htm


Maghasadás• 1 db U-235

elhasadásakor: kb. 200 MeV=3,2×10-11

J energia szabadul fel.

• Magyarország éves villamosenergia-fogyasztása ~19 t tiszta U-235 elhasadásával fedezhető lenne.

• Ugyanennyi energiát kapunk 47×106 t (tehát kb. 2,5 milliószor annyi) feketekőszén eltüzelésekor!

http://xkcd.com/1162/


Láncreakció

Animáció

• A hasadásból átlagosan 2,4 gyors neutron is kilép, ezeket az ún. moderátorral lelassítva újabb hasadásokat hozhatunk létre


Az atomreaktor• Az atomreaktorban nagy

mennyiségű hasadóanyagfelhasználásával szabályozott láncreakciót valósítunk meg.

• A gyors hasadási neutronok lelassításához kell a moderátor.

• A felszabaduló energiát a hűtőközegsegítségével vezetjük el a reaktorból.

• A neutronok számának (ezzel a teljesítmény) szabályozására szolgálnak a szabályozórudak .


kondenzátor

reaktortartály

fűtőelemek

gőzfejlesztő

generátorturbinatérfogatkompenzátor frissgőz

betonvédelem(konténment)

tápvíz

tápvízszivattyú hűtővízfő keringető szivattyú

sz. rudak hajtása

szabályozórudak

előmelegítő

AtomerőműNyomottvizes reaktorral


Különleges reaktorok

Nautilus SSN-571

Lenin (1957-1989)

Ford Nucleon, 1958


Aircraft Nuclear Propulsion program (1946-61)• Aircraft Reactor Experiment (2,5 MWth)

• Aircraft Reactor Test („Fireball”, 60 MWth)– NaF-ZrF4-UF4

Sóolvadékos reaktor történet

Full-Scale ART Model

Full-Scale ART Model

ART Building


„There were two people at the [Manhattan Project] metallurgical laboratory, Harold Urey, the isotope chemist, and Eugene Wigner, the designer of Hanford, both Nobel Prize winners who always argued that we ought to investigate whether chain reactors, engineering devices that produced energy from the chain reaction, ought to be basically mechanical engineering devices or chemical engineering devices. And Wigner and Urey insisted that we ought to be looking at chemical devices – that means devices in which the fuel elements were replaced by liquids. ”

The Proto-History of the Molten Salt SystemAlvin M. Weinberg, Former Director, Oak Ridge National Laboratory February 28, 1997


Molten Salt Breeder Reactor• 2250 MWth, 1000 MWe

• 71,7% 7LiF - 16% BeF2 - 3% ThF4 - 0,3% UF4 (mol%)• tenyésztési tényező: 1,065

„Hagyományos” vs. sóolvadékos

HeatExchanger

Reactor

GraphiteModerator

SecondarySalt Pump

Off-gasSystem

PrimarySalt Pump

PurifiedSalt

ChemicalProcessing

Plant

Turbo-Generator

FreezePlug

Critically Safe, Passively Cooled Dump Tanks(Emergency Cooling and Shutdown)

Steam Generator

NaBF _NaFCoolant Salt

4

72LiF _Th

Fuel Salt

_BeF F _UF4 4

566 Co

704 Co

454 Co

621 Co

538 Co

Szilárd ÜA, víz hűtés, magas nyomásp: ~130 bar, Tmax: ~330°C

Folyékony ÜA, egyben hűtőközeg,alacsony nyomás, magas hőmérsékletp: ~1 bar, Tmax: akár 700-800°C


„Hagyományos” vs. sóolvadékos

• Üzemanyag összetétele jól, akár üzem közben változtatható → radioaktív hulladék kiégetése (transzmutáció), tórium hasznosításra

• Magas hőmérséklet → magas erőművi hatásfok, de alkalmas lehet hidrogén termelésére, folyamathőhasznosításra

• Jó neutron-hasznosítás: alkalmazható aktinida égetésre (transzmutációra) vagy hasadóanyag-tenyésztésre

• Nem kell üzemanyagot szerelni• Nincs zónaolvadás• Folyamatos üzemanyag betöltés és csere• Sóolvadékok alacsony nyomáson tarthatók• Sóolvadékok nem reagálnak hevesen vízzel


Molten Salt Reactor Experiment (1965-1969)• 10 MW (8 MW)• 70,7% 7LiF - 16% BeF2-

13% ThF4 - 0,3% UF4 (mol%) • 93% U-235• Belépő hőmérséklet: 635 °C• Kilépő hőmérséklet: 663 °C

„A” sóolvadékos reaktor

reaktortartályszivattyú

hőcserélő


Magas nyom ás Légköri Légköriátlátszó nem átlátszó átlátszó

forráspont: - 883ºC > 1200ºCInert hevesen reagál enyhén reaktív

Hélium Nátrium Sóolvad ék

Sóolvadék: príma hőszállító közeg


Sóolvadék: príma hőszállító közeg• Naptornyok

– pl: Solar 2 (USA, Mojave-sivatag) sóolvadékos torony, 10 MWe

• 60% NaNO3 - 40% KNO3

• sóolvadék melegág T: 565 °C• hidegági T: 288 °C


4. generációs reaktorkoncepciók


4. generációs reaktorkoncepciókA kiválasztott hat reaktorfejlesztési irány:• Szuperkritikus vízh űtésű reaktor (SCWR – Supercritical-Water-Cooled

Reactor): magas nyomású és magas hőmérsékletű, vízhűtésű reaktor, ami a víz termodinamikai kritikus pontja felett üzemel

• Nagyon magas h őmérséklet ű reaktor (VHTR – Very-High-TemperatureReactor): grafit moderátoros, héliumhűtésű reaktor nyitott üzemanyagciklussal

• Gázhűtésű gyorsreaktor (GFR – Gas-Cooled Fast Reactor): héliumhűtésűgyorsreaktor zárt üzemanyagciklussal

• Nátriumh űtésű gyorsreaktor (SFR – Sodium-Cooled Fast Reactor): gyorsneutronspektrumú, nátriumhűtésű reaktor és zárt üzemanyagciklus, az aktinidák hatékony kezelésére és a fertilis urán hasadóanyaggá alakítására

• Ólomh űtésű gyorsreaktor (LFR – Lead-Cooled Fast Reactor): gyorsneutron-spektrumú, ólom vagy ólom-bizmut eutektikum folyékonyfém-hűtésű reaktor és zárt üzemanyagciklus, a fertilis urán hasadóanyaggá történő hatékony átalakítására és az aktinidák kezelésére

• Sóolvadékos reaktor (MSR – Molten Salt Reactor): folyékony üzemanyag kering a reaktorban, hasadóanyag sóolvadék keverékben feloldva, cél a hasadási termékek, aktinidák (radioaktív hulladék) kiégetése, a tórium alkalmazása magas hatásfokú villamosenergia-termelés mellett.


4. generációs reaktorkoncepciók


• EVOL MSFR benchmark v3

• MSFR – Molten Salt Fast Reactor

– Tbe=650°C– Tki=750°C– ∆∆∆∆T=100°C– 3000 MWth– LiF-22,5% UNF4 , Tm: 565 °C– aktív zóna: henger

• homogén

– 16 hurok, a zónapaláston egyenletesen elosztva

• belépőcsonkok alul• kilépőcsonkok felül• keringető szivattyúk, hőcserélők

– tenyészköpeny, axiális reflektorok, stb– gyorsreaktor tórium hasznosításra,

hasadóanyag tenyésztésre


• MSRE program– 1:5 műanyag modell víz munkaközeggel

• belépő zóna, gyűrűs leszállóakna

– 1:1 acél-alumínium modell víz munkaközeggel• belépő zóna• „Since water was used for this test, the

MSRE Reynolds number was not reproduced exactly. However, the Reynolds numbers in the volute are well into the turbulent range”

Kísérleti modellek


Kísérleti modellek• Példák kísérleti

berendezésekre– energetikai reaktorok

modelljei

– 1:5 arányú plexi modellek víz munkaközeggel(szobahőmérsékleten)

– Névleges Re (reaktor): ~107

– Modell Re: ~10 5

– turbulens

– cél:hűtőközeg-keveredés,tranziensek, stb. vizsgálata,mérési adatok validációhoz

ROCOM – KONVOI (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf)

Vattenfall modell – 3-hurkos Westinghouse PWRGidropress modell – VVER-1000


Wilo EconomyMHIL 903

gömbcsap: OventropOptibal DN50

szabályzószelep:Oventrop HydrocontrolVTR DN32

MOM Hydrus ultrahangos átfolyásmérő DN32

áramlásiránya

leeresztés/feltöltés

áramlásiránya

MSFRnegyedmodell

kezdeti csőhossz DN50, l0 = 1,5 m

Modell tartály + hurok


V [m/s] ; 33,75° ; z=0,265 m

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

r/R

V [m

/s]

M1

M2

M3

M4

M5

CFX

U [m/s] ; 33,75° ; z=0,265 m

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

r/R

U [m

/s]

M1

M2

M3

M4

M5

L [m/s] ; 33,75° ; z=0,265 m

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

r/R

L [m

/s]

M1

M2

M3

M4

M5

CFX

h

m72,9

s

l7,2q

3

==

33,75° z = 265 mm


L [m/s] ; 33,75° ; z=0,265 m

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

r/R

L [m

/s]

M1

M2

M3

M4

M5

CFX

h

m72,9

s

l7,2q

3

==

33,75° z = 265 mm

V [m/s] ; 33,75° ; z=0,265 m

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

r/R

V [m

/s]

M1

M2

M3

M4

M5

CFX

U [m/s] ; 33,75° ; z=0,265 m

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

r/R

U [m

/s]

M1

M2

M3

M4

M5


http://simpsons.wikia.com/wiki/Springfield_Nuclear_ Power_Plant

A közeljövő – épülő blokkok, típusok

Barakah, Emirates Nuclear Energy Corp., 2013. 01. 2 5.

Bushehr, PressTV Shin Kori 3 és 4, MOTIE, 2010. 01. 04.

Akademik Lomonosov, Rosatom, atominfo.cz 2013. 10. 01 .


Olkiluoto-3, Finno.; Flamanville-3, Franciao.; Taishan-1 és -2, Kína; Hinkley Point C, UK

European Pressurized Reactor - EPR

OL-3, TVO, 2014. 01. 13.OL-3, TVO, 2009. 09. 06.

• Ol-3: építés kezdete: 2005, eredeti tervek: kész: 2009, termelés 2010-től, jelenlegi terv: termelés 2015-től.. (?)• Fla-3: építés kezdete: 2007, tervezett építési idő: 54 hónap; jelenlegi cél: kész 2016-ra...• Taishan: ép. kezdete: 2009/2010, termelés kezdése 2014/15-ben

Fla-3, EDF, wnn, 2014. 01. 27.

Ta-2 felé, CGNPC, 2013. 05. 23.


European Pressurized Reactor - EPR

Spreading Compartment

Safety Buildings

IRWST

Severe Accident Heat Removal System


• USA – 4, Kína – 4 AP1000

TVO, 2009. 11. 02.

Sanmen 1, CNEC, wnn, 2014. 01. 22.

• Röviden: mind menetrend szerintelőrehaladott állapotban

Vogtle-3, -4., Georgia Power, 2013. 07. 22.

Sanmen 1, 2010. 10. 14.


• USA – 4, Kína – 4 AP1000


• Oroszország – 4, 2014/16, 2013/16Törökország – 4Finnország – 1Paks 2 - 2

Novovoronyezs II-1,AEP, 2012. 10. 09.

Leningrad II-1,Titan2, 2009. 09. 28.

VVER-1200/AES-2006/MIR-1200 (V-392M/491)


VVER-1200/AES-2006/MIR-1200 (V-392M/491)


Köszönöm a figyelmet!• Ez a munka az Európai Atomenergia Közösség (EURATOM) 7. kutatás-fejlesztési keretprogramja által támogatott EVOL projekt (támogatási megállapodás száma: 249696 EVOL)

keretében készült. A projekthez kiegészítő finanszírozást nyújtott a Nemzeti Fejlesztési Ügynökség az Új Széchenyi Terv EU_BONUS_12 programja keretében (szerződés száma: EU_BONUS_12-1-2012-0003).

• A munka szakmai tartalma kapcsolódik a "Minőségorientált, összehangolt oktatási és K+F+I stratégia, valamint működési modell kidolgozása a Műegyetemen" c. projekt szakmai célkitűzéseinek megvalósításához. A projekt megvalósítását az ÚSZT TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0002 programja támogatja.

Yamaji Bogdán: A jövő atomreaktora(i)

Education

Transcript of Yamaji Bogdán: A jövő atomreaktora(i)