Atomreaktor-típusok az energiatermelés szolgálatában I.


Atomreaktor-típusok
Olvasási idő: 5 perc

Az elmúlt évtizedek egyik legjelentősebb felfedezése az atomenergia békés hasznosítása.

Az 1940-es évek óta fejlesztett atomreaktor-típusok központi szerepet játszanak az energiatermelésben. Az atomenergia békés felhasználása új távlatokat nyitott az emberiség történetében. Ezzel kapcsolatban eléggé elképesztő példákat találhatunk. Egyetlen kilogramm urán-235-ös annyi energiát termel, mint 67 darab 30 tonnás tartályvagonnyi tüzelőolaj. Ezt a hihetetlennek tűnő volument pedig azok az atomreaktorok termelik, amelyek létrehozása egy seregnyi kiváló elme együttes érdeme.

Az erőművek többsége úgy működik, hogy a fűtőanyag elégetésével hőt fejleszt, majd ezt alakítja elektromos energiává. A fűtőanyagok ez esetben főleg a hagyományos olaj, szén és földgáz. Az atomerőműben nem a hagyományos tüzelőanyagok elégetése révén állítják elő a hőt, hanem az atommag hasadásakor felszabaduló magenergia segítségével. A kazán helyére, ez esetben az atomreaktor kerül. A békés felhasználás pedig, alapvetően a szabályozott láncreakciót jelöli.

Jelenleg az atomreaktor-típusok négy generációja ismert.

A Manhattan-terv keretében 1942. december 2-án, helyi idő szerint 15 óra 25 perckor indították be az első szabályozott láncreakciót a Chicagóban megépített első atomreaktorban. A munka dandárját Szilárd Leó és Enrico Fermi végezték. A kísérlet jól sikerült, a prototípus jól vizsgázott. Ezzel megindult az atomerőművek jelenleg is tartó diadalmenete.

Atomreaktor-típusok első generációjába tartozik a Fermi-máglya.

Sajnos a chicagói történet után az atomenergia felhasználásának útja kettévált és megépültek a szörnyű pusztító erővel bíró atombombák is. Először a híres Manhattan-terv keretében, majd a nemzeti atomprogramok keretében. Ugyanakkor a békés felhasználás is produkált sajnálatos nukleáris baleseteket, amelyek az atomenergia-ellenes vélemények, máig legfőbb indokai. De, ezek a fejlesztések legfőbb katalizátorai is, hiszen ezek által az egyre biztonságosabb üzemeltetés felé haladunk.

Az első generációs atomreaktorok az 1940-es és 1970-es évek között létesültek.

A chicagói atommáglya és az energiatermelésre létrehozott első generációs reaktorok között, átmenetet képez az 1943. szeptember 3-án üzembe helyezett, (a világon a második) mesterséges reaktor. Az X-10-es grafitmoderálású reaktor, ami az amerikai Oak Ridge-ben épült fel, a Manhattan-projekt része volt. Ennek megfelelően a feladata nem az energiatermelés, hanem az atombombához szükséges plutónium előállítása volt. A feladatát elvégezvén 1945 januárjában állították át békés felhasználásra. Az X-10-es az 1963-as bezárásáig a kutatók rendelkezésére állt, valamint radioaktív izotópokat állított elő tudományos, orvosi, illetve mezőgazdasági célokra.

x-10 oak ridge atomreaktor-típus.
X-10 Oak Ridge Forrás: atomicphotographers.com
F-1 kurcsatov atomreaktor-típus.
F-1 Kurcsatov Forrás: nuclearweaponarchive.org

A II. világháború után a szovjetek sem maradtak tétlenek és szintén megépítették a saját reaktorukat. A grafitmoderálású F-1-es reaktor 1946. december 25-én startolt a moszkvai Kurcsatov Intézetben. Ez lett az első európai önfenntartó nukleáris láncreakció, amely 24 kW teljesítményt adott le. Az F-1, vagyis ,,Fizika-1-es” reaktor a világ legrégebb óta üzemelő reaktora lett a 2016 novemberében bekövetkező leállításáig.

Az első kísérleti és hadászati felhasználású reaktorok jól vizsgáztak, ezzel megkezdődhetett az atomenergia békés felhasználása. 

Az első közhasznú, villamosenergia-termelésű atomreaktorok az idahoi Arcoban, illetve a szovjetunióbeli Obnyinszkban épültek. 1951, illetve 1954-ben. Az arcoi EBR-1-es esetében, 1400 kW hőteljesítményből 200 kW, az obnyinszki AM-1-es reaktor esetében 30 MW hőteljesítményből 5-6 MW villamos teljesítmény keletkezett. Ezeket főleg lokális felhasználásra – Arcoban épületvilágításra, Obnyinszkban a világon elsőként a meglévő villamosenergia-rendszerbe kapcsolva – üzemeltették. Összehasonlításképpen egy korszerű dízel-elektromos mozdony csúcsteljesítménye körülbelül 5 MW.

Obninsk am-1 reaktor-típus.
AM-1 Obnyinszk Forrás: tourprom.ru
EBR-1 atomreaktor-típus.
EBR-1 Arco Forrás: rosswalkerphotos.blogspot.com

A bipoláris világrend két szuperhatalmán kívül egyidejűleg több más nemzet is épített reaktorokat katonai, tudományos, majd energiatermelési célzattal.

Elsőként Kanada 1945. szeptember 5-én helyezte üzembe a ZEEP (Zero Energy Experimental Pile) elnevezésű reaktorát az ontarioi Chalk Riverben. Nagy-Britannia 1950-ben építette az 1-es számú Windscale máglyát, amelyet sorra követtek további reaktorok. Ezek közül leghíresebb talán a Calder Hall 1-es, amely 1956-ban állt üzembe és 50 MW teljesítményt juttatott kereskedelmi forgalomba. Franciaország szintén egészen korán, 1947-ben Párizs környékén építette meg az első atomreaktorát, a Zoé névre hallgató EL-1-est.

A kettéosztott Németországban is hamarosan felépültek a reaktorok egy rövid kutatási fázis után. A startra 1960-ban és 1966-ban kerítettek sort a bajor Kahlban, illetve a brandenburgi Rheinsbergben. Szintén az 1960-as években látott hozzá saját atomprogramjához több más európai ország is, amelyben nagy szerepet játszott az 1957-es Római Szerződés által életre hívott Európai Atomenergiai Közösség.

Az első generációs atomreaktorok többségében természetes urániumot használtak üzemanyagként és grafitot moderátorként. A moderátoranyagok célja, hogy a 235-ös uránizotóp hasadásakor létrejövő 2-3 gyors neutront lelassítsa, hogy azok újabb maghasadást okozzanak, kvázi automatizálják a folyamatot. A legelterjedtebb moderátor a vízhűtés, de alkalmazásban áll a grafit mellett a fém és a gőzhűtés is. A francia UNGG grafit-gázos és a brit Magnox reaktor széria működik ezen az elven, hűtésként szén-dioxidot használva.

Grafit moderálású atomreaktorreaktor-típus robbantott ábra.
Grafit-moderálású reaktor robbantott ábrája Forrás: wikipedia
Ebr atomreaktor-típus robantott abra.
EBR robantott ábra Forrás: tripadvisor.com

A kísérleti, úgynevezett EBR (Experimental Breeder Reactor) tenyésztő reaktorok kezdeti felépítményeiben még nem volt moderátor, a gyors neutronok lassítás nélkül tartották fenn a láncreakciót. Azonban az ilyen reaktorok építése és üzemeltetése sok nehézséggel járt és igen veszélyes is volt. Az arcoi volt a világon az első EBR reaktor. Ennél a neutron háztartás elég nagy volumenű volt ahhoz, hogy a láncreakciót fenntartsa, mert több hasadóanyagot hozott létre, mint amennyit felhasznált. A reaktor előnyét az egységnyi urániumüzemanyag hatékonyabb felhasználása jelentette. Az előny egészen az 1960-as évek végéig fennállott, amikor is több urániummezőt fedeztek fel, valamint jobb dúsítási eljárásokat találtak.

A könnyűvizes atomreaktorok szintén az első generáció reprezentánsai.

Ebben az esetben a hűtés és a moderáció is a víz feladata, ezért épülnek az ilyen reaktorokkal ellátott erőművek folyó vagy nagyobb kiterjedésű vizek közelébe. A CANDU (Canada Deuterium Uranium), vagyis a kanadai atomprogram első reaktorai ezek közül kerültek ki. Idővel a könnyűvizes reaktorok három variánsa fejlődött ki: a nyomottvizes, a forralóvizes és a szuperkritikus nyomású vízhűtéses reaktorok. Az első kettő variáns előfutára volt egy szinte teljesen új fegyvernem, az atomtengeralattjárók meghajtásának. Ezzel szinte párhuzamosan fejlesztette ki a szovjet fél az atommeghajtású jégtörő hajókat, amelyek első reprezentánsa az OK-150-es nyomottvizes reaktorral hajtott Lenin atomjégtörő. A reaktorok méretének csökkenése és fedélzeti alkalmazhatósága hívta életre az USS Nautilust, a világ első atomtengeralattjáróját. Szintén a könnyűvizes reaktorok közül származik a híresen népszerű orosz VVER-széria is. Sőt a reaktorok működési metódusa a harmadik generációnál is visszaköszön.

Nyomottvizes atomreaktor-típus. Forralt vizes atomreaktor-típus.

Nyomott vizes, forralt vizes és szuperkritikus reaktorok ábrái Forrás: world-nuclear.org

 

Szuperkritikus atomreaktor-típus.

Az 1950-70 közötti időszak ugyancsak gazdagnak volt mondható a különféle ötletek szempontjából.

Sok kísérleti és hibrid megoldás is született. Ilyen volt az úgynevezett gyorstenyésztő, szódium, vagyis a nátrium-hűtéses atomreaktor is, amely az Egyesült Államokban (1963. Fermi), Franciaországban (1967. Rapsodie) és a Szovjetunióban (1968. BOR-60) is megépítésre került a hatvanas évek derekán, illetve egy évtizeddel később Japánban is. A nátrium miatt a neutronok kevesebb energiát veszítenek, ezért hatékonyabb az energiatermelés, ráadásul a radioaktív nátrium felezési ideje is mindössze 15 óra. A nátriumhűtéses reaktor bár nem terjedt el nagy számban, a fejlesztése nem volt zsákutca. Működési elvét a manapság legfejlettebb 4. generációs gyorsneutronos reaktorok között találhatjuk.

Az atomenergia békés hasznosítása a kezdetekkor több esetben is negatív következményekkel járt. Szinte mindig az emberi figyelmetlenség és nemtörődömség miatt. Ez lehetett az oka ugyanis két súlyos balesetnek az angliai Windscale-ben és a szovjet Kistimben. Előbbi esetben, 1957-ben hatalmas, a tisztán katonai célokra használt 1 blokk egységében három napig tartó tűz ütött ki a gázhűtésű, grafitmoderátoros reaktorbanés alig tudták megfékezni a lángokat. A szovjet Kistimben pedig a plutóniumgyártás során keletkezett hulladék robbant be. A robbanás 1000 km2 -nyi területet szennyezett be radioaktivitással.

Majak atomreaktor katasztrófa kiterjedése.
A majaki incidens radiokativ szennyezése a körzetben Forrás: Wikipedia

Jelenleg egy első generációs atomreaktor sem üzemel. Nyugdíjazásuk egészen sokáig, bizonyos esetekben a 2010-es évekig is eltartott. Átadták helyüket a második generációnak, amely a mai atomreaktor-típusok többségét, valamint cikkünk következő részének témáját is adja.

Forrás:
tankonyvtar.hu
atomfizika.elte.hu
paks2.hu
hadmernok.hu
ma.hu
index.hu
nuklearis.hu
thebulletin.hu
radioactivity.eu.com
anyahajo.kinja.com



Previous A foltos hajhullás háttere
Next Magyar biocímkék ismerete – tudatos vásárló vagyok

No Comment

Leave a reply

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.