Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
IV. generációs reaktorok kutatása
Czifrus SzabolcsBME NTI
Az atomenergia jelenlegi helyzete a világon
• 435 atomerőmű működik (2015. február)• 31 ország, összesen 375 000 MWe
kapacitás• 70 reaktort építenek• 56 országban 240 kutatóreaktor• 180 reaktor anyahajókon és
tengeralattjárókon
Jelenleg működő atomerőművek
Energiatermelés az egyes országokban
4
Reaktorgenerációk
5
Early PrototypeReactors
Generation I
-Shippingport-Dresden, Fermi I-Magnox
Commercial PowerReactors
Generation II
-LWR-PWR, BWR-CANDU-VVER/RBMK
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030
Generation IV
-Highly Economical-Enhanced Safety-Minimal Waste-Proliferation Resistant
-ABWR-System 80+-AP600-EPR
AdvancedLWRs
Generation III
Gen I Gen II Gen III Gen III+ Gen IV
Near-Term Deployment
Generation III+ Evolutionary designs offering improved economics
Atoms forPeace
TMI-2 Chernobyl
Mi lehet hasadóanyag?
• Urán (235, 238?) – különbségek• Termikus reaktorok: csak 235 (miért?)
6
Mi lehet hasadóanyag?
• Pu-239, Pu-240, Pu-241 (termikus reaktor: 239,241)
7
Hogyan keletkeznek ezek?
8
238U(n,γ)239U reakció
Radioizotópok keletkezése
Csoportjai: Hasadási termékekTranszurán izotópok
Hasadási termékek:Nemesgázok (Xe, Kr)Illékony hasadási termékek (I, Cs, Te)Nem illékony hasadási termékek (Ru,Ba,Mo)Transzurán izotópok (aktinoidák):
elsődleges (Pu iz.-ok)másodlagos(Np , Am, Cm)
Mi ezekkel a gond?
Transzurán izotópok
keletkezése
10
Mi lehet hasadóanyag? (3)
• U-233 (vajon miből keletkezik?)
11
Hogyan keletkezik az U-233?
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 12
4. generációs reaktorkoncepciók
13
• 6 típust választottak ki a kutatások céljára• Miért érdemes ezeket kutatni?• Az NTI a 6-ból 5 típus kutatásában vesz részt a kezdetek
óta (kb. egy évtizede)
Mi a célkitűzés?• Fenntarthatóság
– Fenntartható energiatermelés az üzemanyag hatékony hasznosításával
– A radioaktív hulladék minimalizálása és kezelése, a jövő generációkra háruló terhek csökkentése
• Biztonság és megbízhatóság– Zónasérüléses balesetek rendkívül kis valószínűsége – Külső veszélyeztetés nullára szorítása
• Gazdaságosság– Élettartamra jutó költségek csökkentése (más
energiaforrásokhoz képest is alacsony értékre)– Pénzügyi kockázatok csökkentése
• Proliferáció-állóság és fizikai védelem– Ne legyenek vonzók a létrejövő/felhasznált anyagok– Terrorizmus ellen biztosított, magas fokú fizikai védelem
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 14
A radioaktív hulladék minimalizálása
• Transzmutáció: nagyon hosszú felezési idejű radionuklidok átalakítása rövidebb felezési idejűvé
• Alkímia? ☺• Nem: valóság• Mi a fizikai alapja? -> a magfizika ☺
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 15
A radioaktív hulladék minimalizálása
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 16
A radioaktív hulladék minimalizálása (2)
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 17
Gyorsreaktorok
• Az előbbi magfizikai okok miatt (is) érdemes gyorsreaktor építeni
• Nem lesz ebből bomba? Nem … de miért?• Gyorsreaktorok képesek a saját
üzemanyaguk előállítására • Képesek elhasználni a termikus
reaktorokból kikerülő üzemanyagot is (MOX)• Ez az üzemanyagciklus zárása
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 18
19
Gen IV koncepció jellemzők – SFRNátriumhűtésű gyorsreaktor
Hűtőközeg: Na
közbenső hűtőkör
Tki: ~ 550 °C
P: 150 – 1500 MWe
fémurán vagy MOX ÜA
Előnyök:
• hulladék mennyiségének minimalizálása
• Jó uránhasznosítás
20
Gen IV koncepció jellemzők – LFRÓlomhűtésű reaktor
Közeg: Pb vagy Pb-Bi
Tki: ~ 550 – 800 °C
P: 500 – 1200 MWe
fém urán vagy MOX ÜA
Nitrid üzemanyag
Kampányhossz: 15 – 30 év
Előnyök:
• Proliferációálló
• Passzív biztonság
• Természetes cirkulációval is működhet
Nátriumhűtésű reaktor
• BN-600, BN-800, BN-1200: orosz reaktorok (az első kettő működik, energiát termel)
• Phoenix, Superphoenix: francia reaktorok voltak
• ASTRID: francia (EU) prototípus-reaktor
• Kína, India
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 21
22
Miért folyékony fém?• Generation IV célok
– transzmutáció, aktinida égetés– ÜA ciklus zárása– Magas hőmérséklet, folyamathő hasznosítás
• távfűtés• tengervíz sótlanítás• olajfinomítás• H termelés• Stb.
• Kell: gyorsneutron-spektrum és magas kilép ő hőmérséklet
Folyékony fémek � Gáz �
Közeg
Víz �
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 23
Magas nyomás Légköri nyomás Légköri nyomásátlátszó nem átlátszó átlátszóforráspont: - 883ºC > 1200ºCInert hevesen reagál enyhén reaktív
Hélium Nátrium Sóolvadék
Sóolvadék, mint hőszállító közeg
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 24
Sóolvadékos reaktor
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 25
Ennek aktív zónája nem tud megolvadni – már olvadt ☺
Referencia MSR paraméterei
Sóolvadékos reaktor
Reaktorparaméter Referencia érték Nettó teljesítmény, MWe Teljesítménysűrűség, MWhőm
–3 Nettó átalakítási hatásfok, % Olvadt só – belépő hőmérséklete, °C – kilépő hőmérséklete, ºC Moderátor Energiaciklus Neutronspektrum
1000 22
44-50 565
700 (850 hidrogéntermelés esetén) Grafit
Multi újrahevítésű, rekuperatív héliumos Brayton-ciklus
Termikus
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 26
Fő jellemzők• Jó neutron-hasznosítás: alkalmazható aktinida égetésre
(transzmutációra) vagy hasadóanyag-tenyésztésre• Magas hűtőközeg-hőmérséklet – alkalmas lehet
hidrogéntermelésre, folyamathő hasznosításra• Sóolvadékok alacsony nyomáson tarthatók• Folyékony üzemanyag: folyamatos, üzem közbeni lehetőség
összetétel változtatására, hasadási termékek, mérgek, stb. kivonására
• Magas rendelkezésre állás• Th is hasznosítható (Th-U-233 ciklus) • Fluorid sóolvadékok: NaF/ZrF4• Sóolvadékok nem reagálnak hevesen vízzel• Kompatibilitási problémák/kérdések• Korróziós problémák
Sóolvadékos reaktor
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 27
Gázhűtésű gyorsreaktor (GFR) • A GFR egy gyorsneutron-
spektrumú, héliumhűtésű, zárt üzemanyagciklusú reaktor, magas kilépési hűtőközeg-hőmérséklettel (850 °C).
• A magas hőmérséklet lehetővé teszi, hogy a GFR-hezközvetlen ciklusú gázturbinás rendszer kapcsolódjék (Brayton-ciklus), ami magas energiaátalakítási hatásfokú (~48%) villamosenergia-termelést tesz lehetővé.
• A magas kilépő hőmérséklet folyamathő előállítására, így pl. hidrogéntermelésre is alkalmassá teszi az atomerőművet.
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 28
Gázhűtésű gyorsreaktor (GFR)
• A rendszer teljesen integrált kivitelben is megvalósítható, a kiégett üzemanyag reprocesszálható a helyszínen (pirometallurgiai vagy más száraz eljárással)
• Az összes hosszú életű radioizotóp (hasadási termék és aktinidák) az üzemanyagba történő helyszíni beépítését követően visszavezethetők a reaktorba transzmutálás céljából.
• Ezáltal minimalizálható a nukleáris anyagok szállítása �proliferáció-állóság.
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 29
Gázhűtésű gyorsreaktor (GFR)
• Különböző típusú üzemanyagok jöhetnek szóba a magas hőmérsékletű üzem feltételei között.
• A kemény gyorsneutron-spektrum jó hasadóanyag-újratermelő képességet (legalább egységnyi tenyésztési tényezőt) és magas transzmutációs hatékonyságot kölcsönöz a rendszernek.
• Az előbbi a rendelkezésre álló nukleáris üzemanyagkészletek —köztük a szegényített uránt tartalmazó dúsítási maradék —hatékony hasznosítását, az utóbbi a hosszú életű transzuránokat tartalmazó radioaktív hulladékok mennyiségének minimalizálását eredményezi.
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 30
Gázhűtésű gyorsreaktor (GFR)
• Prototípusa az ALLEGRO lesz• Visegrádi együttműködés• Nagyon komoly magyar részvétellel• Szlovákiában épülhet meg• 75 MW kísérleti reaktor• Rozsdamentes acél burkolat, MOX üzemanyag• Keramikus üzemanyag tesztelése• Kiterjedt kutatási program
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 31
Nagyon magas hőmérsékletű reaktor (VHTR)
A termikusneutron-spektrumú, nyitott üzemanyag-ciklusú VHTR rendszert a villamosenergia-termelésen túl elsősorban magas hőmérsékletű folyamathőelőállítására szánják:
– szénelgázosítás – termokémiai
hidrogéntermelés céljából
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 32
Nagyon magas hőmérsékletű reaktor (VHTR)
• Fejlesztése a grafitmoderátoros, héliumhűtésű reaktorok tekintélyes mennyiségű tapasztalatain alapul, ezért viszonylag gyors kifejlesztése és rendszerbe állítása remélhető.
• Kínában épül, Japánban működött
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 33
Nagyon magas hőmérsékletű reaktor (VHTR)
• Az aktív zóna építhető hasáb alakú blokkokból, amilyen a japán HTTR, valamint a General Atomicsés mások közös fejlesztése alatt álló GT-MHR, vagy lehet golyóágyas (pebblebed), mint amilyen pl. a Dél-Afrikában fejlesztett PBMR.
• Az 1000 ºC körüli kilépő hőmérséklet alkalmas nagyon jó hatásfokú villamosenergia-termelésre és termokémiai hidrogén-előállításra egyaránt.
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 34
Nagyon magas hőmérsékletű reaktor (VHTR)
• Egy ilyen feladatra dedikált 600 MWhő teljesítményű VHTR több, mint 2 millió normál m3 hidrogént képes előállítani naponta.
• A magas hőmérséklet eredményeként a villamos energiát legalább 50%-os hatásfokkal termeli.
• A hő és a villamos energia kogenerációja a VHTR-t vonzó h őforrássáteszi nagy ipari létesítményekhez.
• A 1000 ºC feletti zónakilépő hőmérséklet a nukleáris hőt képessé teszi olyan folyamatokhoz történő alkalmazásra, mint pl. az acél- és alumíniumtermelés.
Reaktorparaméter Referencia érték
Reaktorteljesítmény, MWhőHűtőközeg be/kilépő
hőmérséklete, ºCHűtőközeg be/kilépő
nyomásaHélium tömegárama, kgs-1
Átlagos teljesítménysűrűség a reaktorban, MWhőm
–3
Referencia üzemanyag
Nettó erőműhatásfok, %
600
640/1000
Folyamattól függő320
6-10ZrC-burkolatú szemcsék,
pálcák vagy golyók.>50
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 35
Szuperkitikus vízhűtésű reaktor (SCWR)
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 36
Szuperkritikus folyadék
Vízre: TC=373,95 °C
pC=220,64 bar
Szuperkritikus fluidum
Meredek anyagjellemző-változás a pszeudokritikus hőmérséklet szűk környezetében
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 37
Műszaki nehézségek, nyitott kérdések:
• Extrém magas nyomás, magas hőmérséklet�anyagtechnológiai kérdések (szerkezeti anyagok);
• DHT (Deteorioration Heat Trasfer) jelenség, a tömegáram fluxushoz képest aránylag magas hőfluxusok esetén a hőátadási tényező eloszlás elfajulása�Szerepe?
• Negyedik hőterjedési mód: „Piston effektus”�Szerepe, dominanciája?
• Tervezéshez mérések és új eszköz használata (CFD kódok)? � Validáció szükséges!
SCWR (HPLWR)
4. Generációs reaktorok kutatása Czifrus Szabolcs BME NTI 38
Miért használjuk a szuperkritikus vizet? Az SCW műszaki jelent ősége
• A pkrt=221 bar fölött melegítve a vizet nem lép fel fázisátalakulás � nincs forráskrízis, kiszáradás, felületi túlhevülés;
• Izobár fajhő csúcs � magasabb hűtőközeg entalpia növekedés �azonos hűtőközeg tömegáram több hőt tud elvonni � kevesebb hűtőközeg szükséges azonos blokkteljesítménynél és így kisebb szivattyúk, kisebb belső átmérőjű primerköri csövek szükségesek.
∫=∆out
in
T
T
pb dTch
Tin Tout
A világ energiaszükséglete
39