Elmélet, gyakori típusok

Az atombombás írás után a békés felhasználásról is szeretnék írni.Nem célom, hogy tudományosan boncolgassam a reaktorok lelkivilágát, csak nagy vonalakban akarom bemutatni azt. Pár mondatban érintem kicsit a reaktorok történelmét és jövőjét is, de a terjedelem nem elég a részletekhez. Mielőtt a fórumban hozzászólnál kérlek olvasd végig a cikket, még ha a véred zöld is.

Elmélet

Az Urán-235 hasadása során átlagosan 2.4 nagy energiájú szabad neutron keletkezik. A nukleáris láncreakció során a hasadás során felszabaduló neutronok további magokat hasítanak szét, majd azok újabbakat és újabbakat. Ez addig zajlik, amíg van elég Urán 235. A sokszorzási tényező (k) az egymást követő neutrongenerációk arányát adja meg. (Ez annak felel meg, hogy az egy hasadásból származó neutronok hány másik magot hasítanak szét.) Ha k<1, a reakció szubkritikus, ha k>1 szuperkritikus. Reaktoroknál az a cél, hogy k=1 legyen, ilyenkor kritikus reaktorról beszélhetünk.

Kis mennyiségű hasadóanyagnál a neutronokból túlságosan sok tud megszökni anélkül, hogy hasadást hozna létre. Gömböt feltételezve egységnyi átmérő növekedésre a térfogat (és a tömeg) köbösen, míg a felület négyzetesen nő. Belátható, hogy nagyobb tömegnél a neutronnak több esélye lesz ütközni és kisebb esélye megszökni. Egy adott méretnél a reakció önfenntartóvá válik (k=1), az ehhez tartozó tömeg a kritikus tömeg. Ez a tömeg függ a hasadóanyag elhelyezkedésétől és az azt körbevevő, illetve a fűtőelem kazetták között lévő anyagoktól.

A hasadásnál kilépő neutronok nagy energiával (sebességgel) lépnek ki. Ezek akár csak egy ritka forgalmú kereszteződésen nagy sebességgel átvágó motoros kis valószínűséggel találnak el egy másik atommagot. Ha a motort csak toljuk és senki se lassít, nagyobb a valószínűsége egy ütközésnek. A neutronokat is lelassítjuk abba a tartományba, ahol a nagyobb a valószínűsége a találatnak és még hasadást hoznak létre. A lassításért a moderátor felel, a lelassított neutronokat termikus neutronoknak hívjuk. A moderátorral szemben elvárás, hogy ne nyelje el a neutronokat. A legjellemzőbb moderátorok a víz, nehézvíz, berillium és grafit.

Hogy hosszabb távon üzemelhessen a reaktor az üzemanyag mennyiségének bőven meg kell haladnia a kritikus tömeget. Hogy eközben a reaktivitás (k) egy legyen szabályozni kell a reaktort. Ehhez fékező anyagokat, jellemzően kadmiumot és bórt használnak, a szabályozó rudaknál. A fékező anyagok elnyelik a neutronokat, így csökkentve a k-t. A teljesítmény növeléséhez a rudakat kihúzzák, a leállításhoz be tolják azokat a reaktormagba.

A reaktorban keletkező energiát valahogy el kell vezetni. A hűtőközeg a fűtőelem kazetták között van és gondoskodik, hogy nehogy túlmelegedjen a mag. A legjellemzőbb hűtőközeg a víz, (könnyű és nehéz vizes reaktorok) amely egyben moderátor is. A legtöbb reaktorban a vizet nagy nyomás alá helyezik, így emelve a forráspontot. A paksi reaktorok is ilyen nyomott vizes könnyűvizes típusúak. Léteznek még folyékony fémmel (tengeralattjárók, Plutónium termelő reaktorok) és gázzal (pl. az angol MAGNOX, de reaktív meghajtásra is alkalmas) hűtött reaktorok is.

Egy átlagos reaktor nagyjából a következő elemekből épül fel. A mag egy erős, acél reaktortartályban helyezkedik el. Az aktív zónában találhatóak a fűtőelemek, illetve - ha van - a moderátor. Ide tolhatóak be jellemzően felülről a szabályozórudak. A magon átáramlik a hűtőközeg, amivel ritkán üzemeltetik közvetlenül a turbinákat. Sokkal gyakoribb, hogy egy hőcserélőn keresztül hevítik fel a munkaközeget.

Leggyakoribb reaktor típusok

A reaktorokat több féle módon lehet csoportosítani. A besorolás történhet a moderátor, a hűtés, fűtőanyag, generáció... alapján. Ezekből én a hűtés-moderátor párost választottam. Később több fejezetben is vissza fogok utalni erre.

- Nyomott vizes reaktorok (PWR 61%): A reaktort hűtése és moderátora is nagynyomású víz. A vízzel egy hőcserélőben vizet forralnak, amivel meghajtják a gőzturbinákat. A paksi VVER-ek is ebbe a csoportba tartoznak. Biztonságos, kipróbált technika.

- Forraló tipusú reaktorok (BWR 21%): A nyomás alacsonyabb, mint az előző típusnál, így alkalmas a turbina közvetlen meghajtására. Japánban már számos példánya üzemel a BWR harmadik generációs GE-Hitachi tervezésű verziójából is (Advanced Boiling Water Reactor)

- Nyomott nehézvizes reaktorok (PHWR 9%): A moderátor és hűtés szerepét itt nehézvíz látja el. A legfontosabb különbség az, hogy hála a nehézvíznek képes dúsítatlan uránnal is üzemelni, valamint alkalmas üzemanyag tenyésztésre is. A CANDU reaktor mindezt kiegészíti az üzem közbeni üzemanyag kazetta csere, újraszervezés lehetőségével is.

- Gáz hűtésű reaktorok (GCR 5%): Grafit moderátort használnak és széndioxiddal hűtik a magot. Ilyen típusúak az Angliában épített Magnox reaktorok.

- Könnyű vizes, grafit moderátoros (3%): A moderátor nagyrészt grafit, de a hűtést végző víz moderátorként is viselkedik. A legismertebbek az RBMK, mint amilyen a csernobili volt.

- Egyéb: Mennyiségük elenyésző. Egy része katonai vagy kutatási célokat szolgál, mint például a BME medence típusú reaktora. A másik része az új negyedik generációt képviseli. Ezekről a cikk vége felé olvashattok.

A cikk még nem ért véget, kérlek, lapozz!