Az atomreaktor

Enrico Fermi, olasz fizikus, atomfizikával és kvantummechanikával foglalkozott, kidolgozta a feles spinű részecskékre (a róla elnevezett fermionokra) érvényes kvantumstatisztikát 1926-ban, és a beta-bomlás elméletét 1934-ben. Neutronbesugárzással újabb rádioaktív izotópokat hozott létre, amiért 1938-ban fizikai Nobel díjat kapott.

A maghasadást O. Hahn, F. Strassmann és L. Meitner felfedezte fel, Enrico Fermi egy korábbi kísérlete alapján, és azt találták, hogy neutronsugárzás hatására az uránatom magja két közepes méretű magra esik szét. Ennek folyamán Fermi felismerte az önfenntartó láncreakció lehetőségét (Szilárd Leóval 1939-ben), s ő valósította meg az általa tervezett első atomreaktort 1942 dec. 2.-én. Majd az atombomba kidolgozásában is részt vett.

Később kimutatták, hogy elméletileg minden atommag elhasadhat, de a gyakorlatban csak néhány urán- és plutóniumizotóp esetében jön létre könnyen a hasadás Ezek az izotópok ráadásul energetikailag kedvezőbb állapotba jutnak a hasadás során, tehát több energia szabadul fel, mint amennyi a hasításhoz szükséges.

A természetes urán 99.3 %-a 238-as, 0.7 %-a pedig 235-ös izotóp. Az U-238-as csak igen ritkán hasad, és csak akkor, ha a neutron nagy sebességgel ütközik a magnak. Az U-235-ös hasadása gyakorlati szempontból sokkal jelentősebb: ezt a magreakciót használja ki a ma működő atomreaktorok döntő többsége.

Ha egy lassú (kis energiájú, más néven termikus) neutron ütközik az U-235 magjának, a mag befogja azt, és egy új gerjesztett mag, U-236 jön létre. Az esetek kb. 85 %-ában igen rövid idő alatt (10^-14s alatt) bekövetkezik a maghasadás, 15 %-ában pedig a mag gamma-sugárzással szabadul meg felesleges energiájától. A hasadványok igen sokfélék lehetnek: ma 35 elem mintegy 200 izotópját ismerjük, ami. az urán hasadási terméke lehet

1 db U-235 elhasadásakor kb. 200 MeV =3.2*10^-11 J energia szabadul fel.

A maghasadás során a két hasadvány magon kívül néhány (U-235 esetén átlagosan 2.4) neutron is kilép. A kiszabaduló neutronok száma attól függ, milyen hasadási termékek jönnek létre.

A láncreakció alapgondolata: az U-235-magot meglőjük egy neutronnal, aminek hatására nagy valószínűséggel bekövetkezik a maghasadás. A hasadásból keletkező neutronok újabb uránmagokat hasíthatnak el, és ráadásul minden egyes hasadásnál felszabadul a már említett 200 MeV energia. Ekkor tehát már külső neutronforrás nélkül is működik, azaz önfenntartó a folyamat.

Az U-235 hasadásakor a magból nagyenergiájú neutronok lépnek ki, amelyek csak igen kis valószínűséggel hoznak létre újabb maghasadást. Ahhoz, hogy gyors neutronokkal valósítsunk meg láncreakciót, nagyon nagy dúsitású uránra van szükség, ez pedig igen drága megoldás. Járhatóbb út olyan anyagok alkalmazása, amelyek a gyors neutronokat annyira lelassítják, hogy azok nagy valószínűséggel hozzanak létre újabb hasítást. Ezek az anyagok a moderátorok. Moderátor használatával akár természetes uránnal (0.7% U-235-tartalom) is létrejöhet láncreakció.

A moderátorként használt anyagokkal szemben két fő követelményt támasztunk: legyen minél kisebb rendszámú, és minél kevésbé legyen hajlamos a neutronok elnyelésére. Ezen igényeknek a gyakorlatban csak négy anyag felel meg: a víz (H₂O, könnyűvíz), a nehézvíz (D₂O), a grafit (C) és a berillium (Be). Ezek közül a víz a legelterjedtebb moderátor. A nehézvíz tulajdonságai ugyan valamivel kedvezőbbek, de sajnos roppant drága anyag.

Ha elkezdünk egyre több U-235-öt egymás mellé, jó darabig nem indul be a várt láncreakció. Ennek oka abban keresendő, hogy kis mennyiségű hasadóanyag esetén a szerteszét repülő neutronoknak igen nagy hányada kilép az uránból anélkül, hogy hasadást okozna. Növelve a hasadóanyag mennyiségét, a teljes térfogathoz képest egyre csökken az a felület (a fajlagos felület), amin keresztül kiszökhetnek a neutronok. Egy adott méretet elérve kevesebb neutron tud kiszökni, mint ami az önfenntartó láncreakcióhoz szükséges, ekkor érjük el az ún. kritikus tömeget. Például golyó alakú, moderátor nélküli fém U-235 kritikus tömege 49 kg.

A neutronok számát a reaktorban nyilvánvalóan szabályoznunk kell, hiszen ettől függ a létrejövő maghasadások száma, és így a felszabaduló energia is. A láncreakció szabályozásához olyan anyagok kellenek, amelyek előszeretettel elnyelik a neutronokat. A leginkább használatos neutronabszorbensek a kadmium (Cd) és a bór (B).

A szabályozás legfőbb eszközei az ún. szabályozó rudak, amelyek minden reaktorban megtalálhatók. Ezek olyan, neutronelnyelő anyagból készült rudak, amelyeket a hasadóanyagba lehet engedni, ill. kihúzni, így szabályozva a maghasadást létrehozó neutronok számát. Ha például csökkenteni akarjuk a reaktorban felszabaduló energiát, elég beljebb tolni a szabályozó rudakat, hiszen ez elnyeli az épp hasítani készülő neutronok egy részét, így csökken a hasításra rendelkezésre álló neutronok száma. Ha növelni akarjuk a teljesítményt, több neutronra van szükségünk a hasításhoz, vagyis kijjebb kell húzni a neutronelnyelő rudakat. A szabályozórudak főleg a rövid időn belüli beavatkozáshoz és a leálláshoz szükségesek.

Az atomreaktorokat ötféleképpen osztályozhatjuk. 1. A moderátor anyaga szerint, ami lehet: víz, nehézvíz, berillium, grafit. 2. A hűtőközeg szerint: nyomott vizes, vízforraló, hélium, szén-dioxid vagy folyékonyfém hűtésü. 3. A hasítás módja szerint: lassú ill. gyors neutronokkal működő termikus, ill. gyorsreaktor. 4. A reaktormag elrendezése szerint: heterogén atomrektorban a hasadóanyag el van választva a moderátor anyagától és a hűtőközegtől, homogén atomreaktorban a hasadóanyag a hűtőközeggel és esetleg a moderátorral homogén keveréket alkot. 5. Rendeltetés szerint: energiatermelő teljesítményreaktor (atomerőmű), járműreaktor (tengeralattjárók, hajók), tenyésztőreaktor (szaporítóreaktor), kutatóreaktor.

A nyomottvizes atomreaktor (PWR: Pressurized Water Reactor) a könnyűvizes típushoz tartozik: moderátora és hűtőközege egyaránt könnyűvíz (H₂O). Az ábrán látható, hogy a víz két zárt, egymástól teljesen elválasztott körben kering.

1 Reaktortartály	8 Frissgőz	14 Kondenzátor
2 Fűtőelemek	9 Tápvíz	15 Hűtővíz
3 Szabályozórudak	10 Nagynyomású turbina	16 Tápvíz szivattyú
4 Szabályozórúd hajtás	11 Kisnyomású turbina	17 Tápvíz előmelegítő
5 Nyomástartó edény	12 Generátor	18 Betonvédelem
6 Gőzfejlesztő	13 Gerjesztőgép	19 Hűtővíz szivattyú
7 Primer köri keringtető szivattyú

A primer körben (sötétkék ) a vizet nagyon nagy nyomáson tartják (130-150 bar), emiatt az még a magas üzemi hőmérsékleten (300-330 ^oC) sem forr fel. (A magas primer köri nyomásról kapta a típus a nevét.) Az állandó nyomást a nyomástartó edény (térfogatkompenzátor) biztosítja. (Ha a primer körben a nyomás lecsökken, a térfogatkompenzátorban levő villamos fűtőtestekkel melegítik a vizet, ezáltal növelve a nyomást. Nyomásnövekedés esetén pedig a már lehűlt hűtővízből fecskendeznek be a térfogatkompenzátorba, aminek a felső részében gőz van, melynek nyomása így lecsökken.) A primer köri víz az ún. gőzfejlesztő kis átmérőjű csöveiben átadja hőjét a szekunder kör vizének, azaz lehűl, majd alacsonyabb hőmérsékleten jut vissza a reaktorba.

A szekunder körben levő víz nyomása sokkal alacsonyabb (40-60 bar), mint a primer körben lévőé, emiatt a gőzfejlesztőben a felmelegedett víz felforr(piros). Innen kerül (cseppleválasztás után) a gőz a nagynyomású, majd a kisnyomású turbinára. A turbinából kilépő gőz a kondenzátorban cseppfolyósodik, ahonnan előmelegítés után újra a gőzfejlesztőbe kerül.

A primer és a szekunder kör vize nem keveredik egymással! A gőzfejlesztőben is csöveken keresztül adódik át a primer oldal hője. Így elérhető, hogy a hűtőközegbe került radioaktív anyagok a primer körben maradjanak, és ne kerülhessenek a turbinába és a kondenzátorba. Ez egy újabb védőgát a radioaktív szennyeződések kijutása ellen.

A nyomottvizes reaktorokban az üzemanyag általában alacsonyan (3-4 %) dúsított urán-dioxid, néha urán-plutónium-oxid keverék (ún. MOX). A nyomottvizes a legelterjedtebb reaktortípus: a világon jelenleg üzemelő atomreaktorok összteljesítményének mintegy 63.8 %-át adják.

Üzemanyag-köteg nyomottvizes reaktorhoz

Ez a legjobban kiformált és beválott atomrektor. Az 1990-es évektől ilyen reaktor működik az atomerőművek túlnyomó részében, ami kb. 80%-ot jelent.

Az atomereaktorok felhasználása: a legelterjedtebb a villamosenergia gyártásában; a világon 440 atomerőművi blokk üzemel, nem okoz üvegházhatást, és a világ villamosenergiájának a 32%-át atomerőművekből nyerik. A fűtőelemekben az atomerőműben történő felhasználás során óriási változások mennek végbe. A hasadóanyag (²³⁵U) fogyásával párhuzamosan radioaktív atommagok keletkeznek: egyrészt hasadások során (hasadási termékek), másrészt az eredetileg a friss üzemanyagban lévő magok (²³⁵U, ²³⁸U) neutronokat fognak be, és sorozatos bomlásokon keresztül kialakulnak a transzuránok. A kiégett fűtőelem aktivitása olyan nagy, hogy a fűtőelemet hűteni kell, nehogy a bomlások során felszabaduló hőtől megolvadjon. Ezen kívül az intenzív sugárzást el kell szigetelni a környezettől. A két feladatot egyszerre oldja meg a pihentető medence, ami vízzel van tele. Néhány év "pihenés" után az üzemanyag aktivitása olyan mértékben lecsökken, hogy a kazetták szállíthatóak és a tárolás során elegendő a léghűtés is.

Az atomrektorok alkalmasak a járműhajtásra. A hajókon és tengeralattjárokon elterjedt ez az “üzemanyag”. Az az előnyük, hogy üzemanyag-utánpótlás nélkül gyakorlatilag korlátlan a hatótávolságuk. A tengeralattjáró pedig nem kell felemelkedjen a felszínre levegőért, ami a dízelmotor üzemeltetésére szükséges.

A kutatórektorok kis teljesítményü, ún. zéróreaktorok. Egyrészt az ezekben maghasadáskor keletkező több száz fajta rádioaktív izotópot hasznosítják, másrészt a felszabaduló különböző energiájú neutronokkal, protonokkal, pl. gyógyászati célokra izotópokat hoznak létre, esetleg anyagszerkezeti és egyéb vizsgálatokat végeznek, ezeket nevezzük anyagvizsgáló atomreaktoroknak.

Az atomenergia még viszonylag új erőforrás, és ha majd elfogy minden hagyományos üzemanyag (a kőolaj és szén), az atomenergia lesz a fő “üzemanyag”, csak még túl drága lenne az, hogy a kocsinkba szereljünk a motor helyett egy atomreaktort. De lehet, hogy 100 év múlva már ez az álom is valóraválik.

Nyitrai-Budai Nándor XII. A.

Scriitori romani