6.5. témakör

1. 6.5. témakör Villamosenergia-termelés nyomottvizes atomerőművekben

2. Tartalom 1.Vízhűtésű atomerőművek. 2. Atomreaktor, mint hőforrás. 3. Nukleáris gőzfejlesztő rendszer. 4. Gőzkörfolyamat. 5. Energetikai jellemzők. 6. Környezeti hatások. 7. EPR reaktor.

3. 1. Vízhűtésű atomerőművek • Vízhűtésű reaktorok: • nyomottvizes (PWR, VVER), • forralóvizes (BWR, RBMK). • Nyomottvizes reaktorok: • radioaktív primerkör, • inaktív szekunderkör. • Forralóvizes reaktorok: • radioaktív gőzerőmű. Lényegében gőzerőmű, GK helyett NGR (forralóvizes reaktor), alacsony gőz kezdő jellemzők, telített és nedves gőz a gőzturbinában, 2-2,5-szer nagyobb munkaközeg tömegáram.

4. Nyomottvizes atomerőmű kapcsolása

5. Forralóvizes atomerőmű kapcsolása

6. 2. Atomreaktor, mint hőforrás • A hasadt uránmagok nukleárisan kötött energiája felszabadul. A felszabaduló energia nagyobb része (≈84%) a keletkező részecskék kinetikus energiájává (Ek) alakul, kisebb részét (≈16%) a különböző sugárzások viszik magukkal. • A fűtőelem-tablettákban a nagy sebességű (kinetikus energiájú) részecskék ütköznek a szilárd fűtőelemben levő részecskékkel, s az ütközésnél a részecskék kinetikus energiája hővé alakul. • Végső soron a sugárzási energia döntő része is hővé alakul. • A keletkező hőt folyamatosan el kell vonni!

8. VVER-440 kazetta (zárt kazettafal)

9. VVER-1000 (összes PWR) kazetta(nincs kazettafal)

10. A reaktor hőteljesítménye • A reaktor egy elemi δV térfogatrészéből a maghasadás révén kinyerhető hőteljesítmény: • Σf makroszkopikus hatáskeresztmetszet, • Φ termikus neutronfluxus a δV térfogatrészben, • qh≈200 MeV/hasadás=3,2.10-11 J/hasadás

11. A reaktor hőteljesítménye • Az atomreaktorok aktív zónája rendszerint henger alakú. Az R sugarú és H magasságú aktív zóna ncs számú hűtőcsatornát (fűtőelem körül, kazetta, aktív zóna), amelyben elvárás az azonos tömegáramú víz:

12. Hengeres atomreaktor hűtőrendszere (a) és hűtőcsatornája (b) [Büki]

13. A hűtőcsatorna-hőteljesítmény és a vonalmenti hőteljesítmény változása a reaktorsugár (R) ill. a reaktorhossz (H) függvényében [Büki]

14. Az üzemanyag-csatorna sugármenti hőmérséklet-eloszlása [Büki]

15. Hűtőközeg, üzemanyag és burkolat hőmérsékletváltozása a forrócsatornában [Büki]

16. A hűtőközeg felmelegedése a reaktor sugara mentén [Büki]

17. Tüzelőanyag • Tüzelőanyag: urán-oxid pasztillák (U-235 (0,72%) dúsítva: 1,6, 2,4, 3,6 (4-4,5) % + U-238 (99,27 %). • Kiégési szint (Hü): 30000-40000 kWnap/kg=(4,5-6).1012 J/kg=(4,5-6).106 MJ/kg (fosszilis: 47-6 MJ/kg), a jelenlegi hasznosítás mellett 5 nagyságrend különbség!

18. Biztonsági filozófia 1./ Kerámia mátrixú pasztillák, 2500-2800 oC olvadási hőmérséklettel. 2./ A pasztillák cirkónium-ötvözetű, zárt fűtőelem pálcákban. 3./ A fűtőelem pálcákból kazetták, a kazetták reaktortartályba helyezve, nyomottvizes (nagynyomású folyadékfázisú) víz keringtetése, a kazetták hűtése, a hő elvonása a gőzfejlesztőkben (FKSZ, hurkok, gőzfejlesztők). 4./ Containment vagy hermetikus tér (pmax=5 ill. 1,5 bar) a radioaktív szennyeződések kikerülése esetén, egy hurokcső törése esetén az aktivitáshordozók környezetbe való kikerülésének megakadályozása érdekében. 5./ Inherens (önbiztosító) reaktorok: a teljes primerkör nagy bórsav-tartalmú víz alatt, medencében (3. generáció). Az eddigi tapasztalatok: az emberi tévedések a balesetekben, ezért ezek kiküszöbölése.

19. 3. Nukleáris gőzfejlesztő rendszer (NGR) • NGR (GF, tv-1): a nukleárisan kötött energia felszabadítása a reaktorban, az aktív zónábana keletkező hő elvonása nagynyomású, folyadékfázisú („nyomott”) áramló hűtővízzel (296-265 oC), a hűtővíz lehűtése a gőzfejlesztő csőterében (primerkör), a gőzfejlesztő köpenyterében a vízgőz munkaközeg felmelegítése, elgőzölögtetése (szekunderkör).

20. PA primerköri kapcsolás

21. VVER-440 fekvő gőzfejlesztő

22. Felső tápvíz-bevezetéssel

23. PWR álló gőzfejlesztő

24. T . QR= mhvc(Tki-Tbe) . Tki TS=[PGF] Tbe . tv QGF= mg(h1-htv) . . Q E GF T-Q diagram

25. 4. Gőzkörfolyamat 1TH u1 u’’ 1’’ Sz u x 1 TH T1 T2 u’(1-x) 2 tv Tápvízelőmelegítés 2’

26. KSZ CSUH KSZ CS TH1 TH2 NNY KNY KNY GF 3 db Leiszapolás pótvíz 2 db K 3 db NX01 KT NX02 NX10 E8 E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 NX08 NX12 GTT NX07 NX06 NX13 CSH AH NX11 5 db N2H4 K-220-44 gőzturbina elvi kapcsolása

27. Hőkörfolyamat

28. NGR hőteljesítmény • Reaktor: • Gőzfejlesztők: ηpr=0,99.

29. Gőzturbina tengelyteljesítmény • Gőzturbina (1-u, u1-2): a kisnyomású (44-70 bar) telített (ω≈0,005) vízgőz termikus energiájának forgási energiává alakítása. • Teljesítmény: ηC=0,40-0,45, ηirrT=0,80-0,85.

30. ηC nem növelhető! • p1 nem növelhető 44 bar (ppr=125 bar, thv=296/265 oC) ill. 70 bar (ppr=160 bar, thv=336/305 oC). • Megcsapolásos (regeneratív) tápvízelőmelegítés. • ωmax=0,1-0,15→nedvesség-leválasztás, közbenső túlhevítés frissgőzzel. • Végnyomás (p2≈0,03 bar) elérte a határt.

31. VVER-440 CSTH

32. PWR cseppleválasztó

33. 5. Energetikai jellemzők • Generátor, transzformátor (lásd 6.1. témakör). • Kondenzátor-hűtővíz rendszer (lásd 6.1. témakör) • Hatásfok: • Fajlagos tüzelőhő-felhasználás:

34. 6. Környezeti hatások • Radioaktív kibocsátás: légköri és folyékony → tisztítás és szigorú ellenőrzés. • Radioaktív hulladékok („szemét”): • nagy aktivitású: kiégett fűtőelemek (transzuránok T1/2=millió év) → néhány ország reprocesszálás + hulladék nefelin mártixba és hordóba. PA: KKÁT – kivárás, reménybeli technológia: transzmutáció. • kis és közepes aktivitású (T1/2 (Co-60)=5,3 év): feldolgozás az AE-ben, PA: 100 m3/év blokk, 200 ill. 400 l hordók: • szilárd → tisztaság, szervezeti intézkedésekkel, • folyékony cementmátrix?, • elhelyezés átmeneti tárolóba (Mo: Bátaapáti).

35. Paksi Atomerőmű

36. Paksi Atomerőmű

37. Paksi Atomerőmű

38. Paksi Atomerőmű

39. Paksi Atomerőmű

40. Reaktorok generációja

41. 7. EPR reaktor

42. Adatok • Termikus teljesítmény: 4200/4500 MWth, • Villamos teljesítmény: 1600 MWe, • Hatásfok: 36-37 %. • Primerkör: • 4 hurok, 241 üzemanyag-kazetta, összesen 128 t UO2, • 89 szabályozó és biztonságvédelmi rúd, • üzemi nyomás: 154 bar, • be/kilépő hőmérséklet: 296/327 oC. • Szekunderkör: • kilépő telített gőz: 78 bar/290 oC, • Gőzturbina: 1 db nagy- és 3 db kisnyomású turbina ház.

43. Biztonsági filozófia • Dupla falú hermetikus védőépület, (nagy utasszállító repülőgép rázuhanására méretezve) • Megakadályozni a telephelyen kívüli következményeket. • Javítani a balesetek megelőzését szolgáló rendszereket: • Egyszerűsítés, fizikai szeparáció, emberi hibák lehetőségének csökkentése. • Zónasérülés valószínűsége 10-6 / év, de a zónasérülés sem jelent nagy kibocsátást • Súlyos balesetek esetén csökkenteni a következmények súlyosságát (konténment hűtése, zónaolvadék felfogása és hűtése, talapzat hűtése alulról).

44. Versenyképesség • Az elektromos áram termelési költsége az EPR-rel várhatóan • 10%-kal alacsonyabb, mint a jelenlegi atomerőművekben, • 20 %-kal alacsonyabb, mint a jelenleg fejlesztés alatt álló legnagyobb kombinált ciklusú gázerőművekben. • Az externális költségeket (CO2-adó) beszámítva az arány még kedvezőbb. • A versenyképesség okai: • 1600 MWe-os, nagy teljesítményű blokkok; • 36-37%-os hatásfok (ez a legmagasabb a vízhűtésű reaktorok között); • rövid konstrukciós idő (építés megkezdésétől a normál üzemig optimális esetben akár 48 hónap); • 60 évre tervezett élettartam; • Akár 92% rendelkezésre állás (hosszú üzemanyag-ciklusok, rövid leállások, és üzem közbeni karbantartások).