HTML

Érthetően az atomreaktorokról

Friss topikok

  • Chimer: @Proud Mary: Írd már le, mi a gond és "valójában" hogyan történt a baleset, és hogyan működik egy ... (2019.06.25. 10:07) A csernobili baleset okai
  • molnibalage: @Mikrobi: A modern harcászatban az egy kötelékben (flight) repülő gépek között minimum km-es távol... (2015.05.04. 11:42) Kevés az urán?
  • molnibalage: Ezek szerint a szerző nem lát perspektívát a LFT reaktorokban? (2015.04.27. 17:27) Mire jó a tórium?
  • Kurt úrfi [teuto-nordikus parasztlegény]: Ez is érdekes. http://www.haea.gov.hu/web/v2/portal.nsf/att_files/eloadasok/$File/d_sukosd.pdf?Op... (2014.11.03. 05:02) Miért nem atombombák a paksi reaktorok?
  • belekotty: Az első részt kifelejtettem. wwwold.kfki.hu/fszemle/archivum/fsz6101/pocs6101.html (2014.04.25. 10:37) Hogyan keletkezett az urán?

Címkék

Mire jó a tórium?

2014.03.25. 15:16 atombuzi

A tórium a 90. elem.  A természetben egy izotópja fordul elő, a Th-232, felezési ideje 14 milliárd év.

Neutron befogással Th-233 lesz belőle, majd béta sugárzással Pa-233 és abból U-233. Az urán-233 remek hasadóanyag. Atombombának kevésbé jó mint az urán-235 mert erősebb a gamma sugárzása és ez a hadászati kezelését nehezíti.

Az urán-233-nak a teljes neutron spektrumban (termikus, rezonancia és gyors) nagyobb a hatáskeresztmetszete hasadásra mint az urán-235-nek,  és kisebb a hajlandósága a neutronok befogására.  Ugyan minimálisan, de több neutron is keletkezik átlagosan.  Óriási előnye, hogy nem keletkeznek transzuránok belőle (neptúnium, plutónium, americium, kűrium)  amelyek a kiégett fűtőelem rudak radiotoxicitásáért döntően felelnek és amelyek a hőt többségét fejlesztik a kiégett rudakban. Becslések szerint egy nehézvizes tóriumos reaktor több hasadóanyagot termelhetne mint amennyit elfogyaszt. Csak hát a tórium-232 nem hasad, így urán-235 szükséges a rendszer elindításához és a Th-233 átalakulása U-233-á sokkal lassabb mint az U-239-ból a Pu-239. A katonák szempontjából azért is jobb a Pu-239, hiszen abból kisebb atomfegyverek állíthatók elő.

De attól még sokak számára érthetetlen, hogy miért nem használják békés célokra. Ennek egy reaktorfizikai és egy gazdasági oka van alapvetően.  A gazdasági adott, a katonai kutatások miatt az urán alapú erőműveknek a technológiája kidolgozott és az uránt csupán dúsítani kell, nem kell egy tenyésztési szakaszt beiktatni a felhasználás előtt.

A másik ok a reaktor fizikai.  Ha a tórium a hasadási zónában van, akkor a gyorsneutronokkal lejátszódik egy mellék reakció a Th232(n,2n)Th231 vagyis egy neutron gerjesztésének hatására elveszít egy neutront.  Ez Pa-231-é alakul, majd az neutron befogással U-232 lesz belőle.

Hasonló történik a Pa-233-al is Pa233(n,2n)Pa232 ami gyorsan U-232-t ad.

Az urán-232 pedig egy roppant kellemetlen anyag. Felezési ideje mindössze 69 év. Az összes bomlásterméke gyorsan tovább bomlik és a sorban olyan izotópok is vannak mint a bizmut-212 és a tallium-208, amelyek nagyon erős gammasugárzók és gyorsan bomlanak. Vagyis a keletkező minimális urán-232 is nagyobb sugárzást bocsájt ki és több hőt fejleszt mint az urán alapú kiindulás.

A következő gyors bomlás játszódik le, amely a rövid felezési idő miatt igen erősen radioaktív sugárzást bocsájt ki.

izotóp  felezési  bomlás      energia

            idő

U232 68,9 év    alfa   5,414 MeV  

Th228 1,9116 év alfa 5,520 MeV

Ra224 3,6 nap alfa   5,7 MeV 

Rn220 55 másodperc alfa 6,4 MeV

Po216 0,14 másodperc alfa 6,9 MeV

Pb212 10 óra béta 0,56 MeV

Bi212 1 óra  alfa 6 MeV 

Tl208 3 perc béta 5 MeV 

Pb208 stabil   

http://periodictable.com/Isotopes/092.232/index2.p.full.dm.html

Hogy szemléletes legyek, egy kiégett urán alapú üzemanyag rúd közelében órák alatt kapjuk meg a halálos, dózis, ugyanez egy tórium alapúban csupán percek. Egy csernobili baleset esetén sokkal súlyosabb lenne a radioaktív szennyezés. Akik Csernobilban oltották helikopterről a reaktort, azok már nem értek volna vissza a reptérre élve. Hozzá kell tenni, hogy tóriummal nem érdemes csernobili reaktor típust építeni, tehát egy ilyen nagyságrendű baleset nem elképzelhető. De egy fukusimai leolvadás esetén, de akár egy paksi üzemzavart is feltételezve, sokkal nehezebb lenne a fűtőanyag rudakat kezelni.  Gyakorlatilag csak manipulátorokkal lehetséges, ami mind a kezelést, mind a feldolgozást igen nehézzé teszi.  A tóriumnak van jövője, de majd csak akkor, amikor az urán erősen fogyni fog.

A németek építettek tóriumos reaktort, de aztán biztonsági okok miatt leállították.  

http://en.wikipedia.org/wiki/THTR-300

India folytat kutatásokat a tóriumos reaktorokkal, ennek részben az az oka, hogy hatalmas tórium telepekkel rendelkezik.

Carlo Rubbia publikált egy tóriumon alapuló spallációs erőmű koncepciót.

http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_amplifier

A lényege, hogy valamilyen nagy magot - ólom, urán - bombáznak nagy energiájú protonokkal (~1 GeV) és az így nyert neutronok (30-40 ütközésenként)  biztosítják egy nem kritikus reaktor működését.

Vagyis egy ilyen reaktor nem futhat meg. De ez nem segít a tórium nehezen kezelhetőségén, nem segít egy esetleges hűtés elmaradásból adódó leolvadáson. Ellenben termodinamikailag rossz a hatásfok, hiszen igen sok áram kell a gyorsítóhoz, amit viszont az atomerőmű által hajtott gőzgépekkel kell előállítani, jelentős veszteséggel.  A reaktor energiamérlege annyira rossz és olyan drága a gyorsító, hogy kereskedelmi célút sosem építettek belőle.

 A megoldásról Szatmáry Zoltán professzor kritikája itt olvasható.

http://wwwold.kfki.hu/fszemle/archivum/fsz9407/szz9407.html

 Szóval véleményem szerint a tóriumos erőműveknek bár a kutatása intenzív, az ipari alkalmazás még több évtizedes távlatban van.

 

4 komment

Hogyan keletkezett az urán?

2014.02.21. 06:05 atombuzi

A hidrogén, deutérium és a hélium az ősrobbanás elmélet szerint rögtön az infláció után alakult ki.
A szén és annál nagyobb elemek a csillagokban keletkeznek.

Sok elmélet azt állítja, hogy a lítium-6 és lítium-7, a berillium-9, valamint a bór-10 és bór-11 is ekkor alakult ki.  Ezek a primordiális elemek. A bökkenő az, hogy ezek az elemek, magas hőmérsékleten, proton gazdag környezetben nem maradnak meg, vagyis az ősrobbanás inflációjának (tágulásának) volt egy olyan hőmérsékletű szakasza,  amikor keletkezhettek ugyan, de meg nem maradhattak,  sőt a csillagok belsejében is ezek az elemek megsemmisülnek.  Előfordulásukra sok magyarázat van, de most erre nem térnék ki.

Az születő csillagok tehát főképp hidrogénből álltak, sőt a fiatal csillagok többsége ma is abból. Ezekben a hidrogén ég el héliummá. Amikor egy hidrogénből álló égitest eléggé nagy lesz, a gravitáció összehúzza és ez két dolgot okoz.
Növekszik a belső sűrűség és a térfogati munka (csökken a térfogat) miatt nő a hőmérséklet.  A növekvő hőmérséklet miatt a protonok elérik a fúzióhoz szükséges küszöbenergiát, a sűrűség növekedés miatt pedig megnő az ütközések száma. Belátható,  egy dobozban hiába pattog két atommag a megfelelő sebességgel, ha sosem ütköznek össze, nem lesz reakció.
Hogy a fúzió meginduljon annak feltételeit a Lawson kritérium adja meg.

A Naphoz hasonló csillagokban három különböző folyamatban termelődik
hélium.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Proton_proton_cycle.png
Ez a folyamat azért lassú, mert sok energiát termel és a hőmérséklet növekedéséből adódó nyomás ellenáll a gravitációs nyomásnak,  így nem nő a sűrűség. Egy ilyen csillag, mint  a Napunk évmilliárdokat tölt ebben az állapotban.
A Napunk azonban nem elég nagy csillag, a folyamat a hidrogén elfogyásával
megáll, majd Napunk ki fog hűlni.

A nagyobb csillagokban azonban a folyamat nem áll meg a hélium szintézisnél, hanem a szén és a nagyobb elemek keletkezése is megindul.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fe/Cno_cycle.png/800px-Cno_cycle.png
Fajlagosan kevesebb energia termelődik már, így az összehúzódást akadályozó energia termelés kisebb, ezért ezek a folyamatok már gyorsabban mennek. A csillag hagymahéjszerűen ég, a magban a legnagyobb elemek szilicium, magnézium, nátrium, neon, kijjebb a szén, nitrogén, oxigén, a legkülső fúziós rétegben még a hélium fúziója zajlik. Ekkor fújódnak fel a csillagok vörös óriássá.
Ha elég nagy a csillag akkor a folyamat a szilicium-28 izotópig megy, az
oxigén izotópok sorozatos hélium magokkal történő fúziója nyomán.
A folyamat egyre kevesebb energiát termel és így egyre gyorsabb lesz.
Több párhuzamos egyéb folyamat is beindul.  További hélium fúzionál a szilicium-28 atomokkal, de a rendkívül magas hőmérséklet miatt szét is esnek atomok hélium atomokra és ez azokban a magokban, ahol több  a neutron mint a proton (Fe56) neutron felszabadulással jár.  (Fe-56 = 13He-4 + 4n)
Ezeket befogják az atomok így sokféle közbenső izotóp termelődik.
A csillagok, amelyek nem elég nagyok, ennél a folyamatnál megállnak, mert megszűnik az energia termelés, ugyanis a vas 56-os izotópja az energia minimum.

A csillag megfelelő méreténél, amikor a gravitációs nyomás kiváltotta összehúzódás során termelt térfogati munka már óriási lesz, ugyan le kellene lassulnia a folyamatnak, de van egy olyan lépés amely a legstabilabb magnál (Fe56) nagyobb energiájú magot termel, a Ni-56 izotópot, amelyből keletkezésében megelőzi az Fe-56-ot.  Közben a magok egy részének hélium magokra szétesése „hűti” a csillagot, így a központi mag nem áll ellen a gravitációs nyomásnak, mert nem nő a hőmérséklet, viszont csökken a magok száma. (A keletkező hélium és neutron befogódik más magokban.)  A csillag gyorsan összeomlik, miközben sok neutron termelődik, amelyeket a magok befognak.  Ekkor rengeteg Ni-56-os izotóp keletkezik a Si-28-at tartalmazó a vasmagot körülvevő
héjban és a csillag hirtelen, kb egy nap alatt összehúzódik.
A Ni-56 izotóp azonban azonos számú protont és neutron tartalmaz, amely energetikailag nem kedvező és bomlik, 5 MeV energia kibocsájtás mellett a Co-56 közbeiktatódásával Fe-56 izotóppá.
Ez a folyamat a Ni-56 felezési ideje miatt késleltetve csúcsosodik ki, amely miatt a hőmérséklet megnő a már összehúzódott magban, amit rengeteg mag szétesését okozza elsősorban az képződő Fe-56 = 13He4 + 4n folyamatot előidézve.  A belső nyomás hirtelen nagyobb lesz, mint amivel addig a gravitáció ellent tudott  tartani. Ekkor a csillag méretétől függően több lehetséges kimenetel is van. Ha a csillag nagy, akkor összeroppan neutron csillaggá, miközben a külső rétegek ledobódnak. Ha a csillag egészen nagy, akkor fekete lyukká omlik össze.  Ha nem elég nagy és a külső rétegek még gazdagok hidrogénben, akkor II típusú szupernova robbanás történik, aminek színképe gazdag hidrogénben.
Ha a csillag kicsi – bár a Napunknál többszörösen nagy , akkor a folyamat, mint az előbb említettem az Fe-56 szintézisnél megáll, a külső rétegekben pedig  alacsonyabb szintű fúziónál. Csillagászok találtak olyan szinképű csillagot, amelynek külső burka valószínűleg szénből áll. Ha viszont a csillag ebben az állapotban külső anyag utánpótlást kap, akkor elérkezhet az az állapot, amikor a hirtelen sok szilicium-28 fúziónál nikkel-56-á a külső rétegekben, majd annak Fe-56–á alakulása a csillag szétrobbanását okozza, mert a tömege nem elég nagy a keletkező energia által keltett nyomással szembeni gravitációs nyomáshoz. Úgy kell elképzelni, hogy a gravitációs nyomás által keltett térfogai munka által termelt energia a Ni-56 magokba betárolódik és annak felezési ideje miatt késleltetve jelenik meg a csillag hőmérsékletében. Ez és a hőmérséklet növekedés által kiváltott disszociációja a magoknak szétveti a csillagot, ez az Ia típusú szupernova robbanás. Ez nagyjából azonos méretű csillagokban történik, hiszen egy olyanban zajlik le, amelynek fúziós folyamatai leálltak és ez az összeomlás egy bizonyos nyomásnál/méretnél következik be,  vagyis a robbanás energiája nagyjából azonos, így a fényességből   meg lehet becsülni a csillag távolságát.  Azért különböztethetők meg jól ezek a többitől, mert hidrogénjük elfogyott, ezért hidrogén vonalak gyengék vagy nincsenek a színképben.
Ebben persze sok bizonytalanság van, az utóbbi években vitatják, hogy az Ia
típusú szupernova robbanások energiája azonos.
De most nem az asztrofizikai kérdéseket feszegetjük. Ebben a robbanásban nagyon sok neutron keletkezik hirtelen. A csillagban eddig is termelődtek a nagyobb elemek, lassú neutron befogással és béta bomlásokkal.  Azonban a lassú folyamatok csak a bizmut-209-es elemig képesek termelni, mert a bizmut-210 polonium-210-é alakulva gyorsan ólom-206 és héliumra bomlik. Viszont a robbanásban olyan sok neutron termelődik, hogy a magok gyors egymásutánban fognak be neutronokat, a bizmut és a tórium közötti instabil magoknak nincs idejük az alfa bomlásra így tórium és urán, sőt magasabb elemek is képződnek. Transzuránok is képződnek, de ezek rövid felezési idejük miatt nem maradnak.

Vagyis Földünkön az uránkészlet egy valaha volt szupernova robbanás maradéka.

4 komment

A csernobili baleset okai

2014.02.13. 20:12 atombuzi

A baleset okairól és következményeiről Aszódi Attila egy a
Fizikai Szemlében megjelent cikkéből idéznék és fűznék hozzá magyarázatot.

http://wwwold.kfki.hu/fszemle/archivum/fsz0604/aszodi0604.html

"A csernobili 4. reaktor balesete
Csernobilban 1986. április 26-án a 4. blokkon egy rosszul megtervezett és
még több hibával végrehajtott üzemviteli kísérlet során az öngerjesztő
tulajdonságokkal bíró reaktort olyan üzemállapotba manőverezték, melyben a
- reaktor felépítéséből adódó - pozitív visszacsatolások felerősödtek. A
blokk operátorai több fontos védelmi rendszert kikapcsoltak, és az írott
üzemviteli utasításokat, biztonsági előírásokat is többszörösen
megsértették. Ennek és a reaktor konstrukciós hibáiból adódó kedvezőtlen
fizikai tulajdonságok következményeként 1986. április 26., szombat hajnali
1 óra 23 perckor a reaktor megszaladt, vagyis abban a láncreakció
ellenőrizhetetlenné, szabályozhatatlanná vált, és néhány másodperc alatt a
reaktorban megtermelt hőteljesítmény a névleges 7%- áról a névleges
10000%-ára (százszorosára) ugrott fel.

A nagy teljesítményugrás következtében létrejött gőzrobbanás felhasította a
hűtőcsatornák csöveinek falát, és forró víz áramolhatott a grafit
moderátorra. Ez robbanóképes gázok keletkezéséhez vezetett, ami két
másodperccel a gőzrobbanás után egy újabb robbanást okozott. A két robbanás
erejét jól jellemzi, hogy a reaktor hűtőcsatornái fölött elhelyezkedő
hatalmas, 3000 tonna súlyú reaktorfedél körülbelül 50 méter magasra repült,
a reaktorcsarnok tetejébe ütközött - kiszakítva a tetőszerkezetet -, majd
oldalára fordulva visszazuhant a reaktorba (a szarkofággal kapcsolatban
lásd még később az erről szóló fejezetet és a 3. ábrát).

A csernobili atomerőműben alkalmazott RBMK reaktortípus felépítését és
működését tekintve alapvetően különbözik a Pakson vagy Nyugat-Európában
alkalmazott nyomottvizes reaktortípustól. A csernobili típus meghatározó
eleme az a hatalmas méretű, mintegy 800 köbméteres grafittömb, amelyben
csatornákon belül fémcső fémcsövekben helyezkednek el az
üzemanyag-kazetták. A reaktor hűtővize ezekben a fémcsövekben áramlik, és a
kétszer 3,5 m (összesen 7 m) hosszú üzemanyag-kazetták is a hűtőcsöveken
belül foglalnak helyet. A grafit (neutronlassító) és a hűtővíz együttes
jelenléte a csernobili reaktorban több hátránnyal is jár:

    A reaktor bizonyos üzemállapotokban nem stabil, abban a pozitív
reaktorfizikai visszacsatolások miatt öngerjesztő folyamatok indulhatnak
be. Ez a tulajdonsága vezetett az 1986-os balesetben az elso robbanáshoz, a
gozrobbanáshoz, és a reaktor ezen fizikai tulajdonsága (vagyis a hibás
konstrukció) a baleset alapvető oka.
    A nagyméretű grafittömböt nem vették körül nagy nyomásra méretezett
reaktortartállyal, és a reaktor köré nem építettek megfeleloen méretezett
hermetikus védőépületet sem, így a robbanás hatására a reaktor
üzemanyagából kikerülő radioaktivitás közvetlenül a környezetbe juthatott.
    A grafit és a víz együttes jelenléte további veszéllyel jár: ha a
hűtőcsatornák sérülése miatt víz áramlik a forró grafitra, az úgynevezett
városigáz-reakció játszódik le, amelyben hidrogén és szén-monoxid
keletkezik. Ez a levegő oxigénjével robbanógázt képez, ami Csernobilban a
második robbanást okozta.
    A grafit a robbanások hatására meggyulladt, ami tíz napig magas
hőmérsékletű grafittűzhöz vezetett, és jelentősen növelte a környezetbe
kikerülő radioaktivitás mennyiségét.

A nyomottvizes reaktorokra nem jellemzőek a fenti hátrányos tulajdonságok:
a nyomottvizes reaktorokban nincs grafit, alapkövetelmény, hogy abban
öngerjesztő folyamatok ne tudjanak kialakulni (a negatív visszacsatolás
alapvető tervezési követelmény, ami belső biztonságot ad a nyomottvizes
reaktoroknak). Ha nincs grafit, nyilvánvalóan grafittűz sem tud kiütni.
Ezen túl a nyomottvizes reaktoroknál a hasadóanyagot tartalmazó aktív zónát
egy nagy nyomásra méretezett reaktortartály veszi körül, és a blokkok
primer körét megfelelően méretezett hermetikus védőépületben helyezik el.
Így tulajdonképpen két mérnöki gáttal több van a nyomottvizes reaktorokban,
emiatt környezetük sokkal nagyobb biztonságban van, mint a csernobili
típusú blokk esetében. "

Idáig az idézet. Amit hozzáfűznék:

A balesethez egy ismert, ám de figyelmen kívül hagyott reakció vezetett.
Ezt az úgynevezett reaktor mérgezést már Wigner Jenő észlelte a hanfordi
reaktoroknál, az effektus magyarázata pedig Teller Edéhez fűződik.
Ennek lényege hogy a hasadások során keletkezik tellur-135 és jód-135 izotóp többek között. A tellúrnak sok izotópja van, például a tellúr-128 felezési ideje 2.2 septillion év (2.2E+24!!)
Csakhogy a tellúr-135 felezési ideje 19 másodperc és jód-135 izotóppá alakul, amely 6.6 óra felezési idővel xenon-135-ös izotópot ad. A xenon-135-nek pedig van egy csúnya tulajdonsága, a termikus neutronokat nagyon szereti elnyelni.
Ekkor áll elő az úgynevezett Teller effektus, a xenon kilengés.
http://www.feltalaloink.hu/tudosok/tellerede/html/teledetal2.htm
Míg az urán-235 hasadási keresztmetszete néhány száz barn a termikus neutron spektrumban, addig a xenon-135 befogási hatákeresztmetszete egymillió barn körüli. Vagyis a keletkező xenon-135 elnyeli a neutronokat és xenon-136-á alakul, ami már nem olyan nagy neutron befogó.
Ezt onnan ismerték fel, hogyha egy reaktort leállítottak, akkor néhány óra múlva nagyon nehéz,vagy lehetetlen volt az újraindítás, illetve egy frissen indított reaktor egy idő után magától leállt, ha nem csökkentettek a fékezésen.
Egy üzemelő reaktorban a folyamatos neutronfluxus a xenon-135 szintet alacsonyan tartja, de ha a reaktort leállítják, akkor rövid idő múlva annyi xenon-135 halmozódik fel, hogy az újraindítás nehéz vagy lehetetlen, ezért hívják reaktor méregnek. Ezt az USA titokban tartotta, talán ha még azelőtt az oroszok tudomásukra jut, nem fognak neki az RBKM reaktorok kifejlesztéséhez.
Az oroszok később már tisztában voltak ezzel a kockázattal, de ezeknek a reaktoroknak az olcsósága nagyon csábító volt a villamosságra éhes orosz gazdaságnak.
Csernobilban egy kísérletet hajtottak végre, leállították a 4-es számú reaktort és azt akarták kipróbálni, hogy az így termelt gőz elegendő energiát termel ahhoz, hogy a reaktor hűtését biztosító szivattyúkat működtessék, amíg a dízel generátorok beindulnak.
A orosz nyomozóhatóságok szerint ehhez a reaktor típushoz értő mérnök nem volt jelen amikor az újraindították a reaktort, mert szóltak a villamos rendszer írányítók hogy kell a termelt áram.
A reaktor leállításával elkezdett felgyűlni a xenon-135 izotóp.  Amikor a reaktort újra akarták indítani, már olyan szintet ért el, hogy az összes fékezőrúd kihúzásával sem növekedett a teljesítmény, hanem 7 százalékon működött.  Az operátorok kiiktatták a vészleállító rendszereket is.
Csakhogy csökkent a jód-135 szint amiből a xenon-135 keletkezik és az maga is bomlik és cézium-135 izotóppá alakul ami már nem olyan erős neutron elnyelő. Továbbá az alacsony szinten működő reaktor neutron fluxusa is fogyasztotta a xenon-135 izotópot xenon-136-á alakítva, amely szintén már nem nagy neutron elnyelő.
 Ekkor elérkezett az a pont, ahol a xenon-135 szintje olyan alacsonyra csökkent, hogy a reaktor teljesítménye megnőtt, ami a neutron fluxus megnövekedésével járt.  A megnövekedett neutron fluxus azonban a maradék xenon-135 izotópot azonnal elfogyasztotta, így a reaktor mindenféle fékezés híján megfutott.
Pár másodperc alatt a névleges 3 GW hőteljesítményéről annak százszorosára ugrott független szakértők szerint.
 Az orosz kivizsgálók szerint 15-20 másodperc alatt csak a tízszeresére nőtt.
Ez nem vág össze azzal hogy miért nem nyomták meg azonnal a vészleállítót.
A reaktor operátor hiába kapott a vészleállító gombjához, már egy borzalmas láncreakció indult meg.
Először is a vészleállító rudak alja grafitból volt, így azok még jobban növelték a moderációt, ezáltal a reaktor teljesítményt.
A csövek addigra a hirtelen hőhatástól elgörbültek és a rudak sem estek be teljesen.
Továbbá a csernobili reaktorok üregtényezője pozitív.  Ez a grafitos reaktorok sajátossága, ezért nem engedélyezik az USA-ban békés célra a grafitos reaktorokat. Még Ford elnök rendelte el, aki tanult egy szemeszter reaktorfizikát.
A neutronok moderálását döntően a grafit végzi ezekben a reaktorokban. A nyomott vizes reaktorok nem tartalmaznak grafitot (Paks), így megfutásuk  esetén a képződő gőzbuborékok miatt a moderálás csökken, így azok leállnak.
Azonban a víz nem csak moderál, hanem nyel is el neutronokat.  Vagyis egy pozitív üregtényezőjű reaktor
esetén a víz hiába forr meg, jobban csökkent a neutron elnyelés mint a moderálás - a grafit marad és moderál, de nem nyel el - és így a megfutásra pozitív visszacsatolás történik a képződő gőzbuborékok miatt.
A xenon-135 mérgezésből adódó megfutást ugyan nyomottvizes reaktorban is elő lehetne idézni - Pakson a reaktoroperátorok a vészleállítót nem tudják kiiktatni, tehát ott még így sem - de ott a fékezést nem csak a fékező rudak, hanem a vízbe adagolt bórsav is végzi, a reaktor egyenletes kiégése végett.
Vagyis egy xenon mérgezés esetén a paksi reaktorban hiába húzzák ki az összes rudat, a reaktor egyáltalán nem fog működni.
Ha napokat várnak, akkor is nagyon lassan indul meg. A primer kör vizének kicserélése kellene hozzá hogy csernobili megfutást lehessen előidézni. Csernobilban természetes uránt használtak, ezért a hűtővízbe nem adagoltak fékező anyagot.
A több, egymást erősítő tényező okozta megfutás további katasztrófát okozott.
Megnőtt a víz nyomása, a csövek felhasadtak. Ekkor a szuperkritikus vízgőz, amely gyakorlatilag oxidáló szer magas hőmérsékleten, reakcióba lépett a grafittal C + H2O = CO + H2 (városi gáz) és ez a reakció eleve megduplázza a gázfázisban lévő molekulák számát, ami radikálisan tovább növelte a nyomást. Ez ledobta a reaktor fedelet, ettől pedig a levegő oxigénjével keveredve egy kémiai robbanás történt, amely a grafit begyulladását okozta.
A többit mindenki ismeri.

(A szerző Kurt úrfi)

6 komment

Kevés az urán?

2014.02.06. 07:22 atombuzi

A sötétzöldek egyik legkedvesebb érve, hogy az uránkészletek elfogyóban vannak,  az uránnak pedig csak kis részét tudjuk hasznosítani.

Ez több szempontból is nem igaz.  Először az az érv ugyanis hogy az uránnak csak kis részét tudjuk hasznosítani, önmagában nem igaz, ezt azért tesszük mert jelenleg ez a módszer igen olcsó. Továbbá nem terjedtek el még a  szaporító reaktorok békés célra, mert gazdaságilag még nem indokolt.

A Földön továbbá valószínűleg nagy feltáratlan uránkészletek vannak, csak az urán annyira olcsó, hogy nem gazdaságos mélyművelésű bányákat igénylő készletek után kutatni. Sok helyen a Földön olyan mennyiségű radon szivárog fel, ami nagy urán készletekre utal.  A természetes háttérsugárzás nagy részéért egyébként a radon a felelős.

Az urán készletek mennyiségének témáját nem érdemes most taglalni, hiszen a készleteket úgy határozzák meg, hogy az adott világpiaci árak mellett mi az ami egyáltalán szóba jöhet mint kitermelhető ásvány.  Ha az urán ára - ami az atomerőművek költségének csupán töredéke - jelentősen megemelkedik, akkor vélhetően a bányászatra érdemes készletek mennyisége is bővül.

De most nézzük mi történik egy a Pakshoz hasonló termikus reaktorban az uránnal.

A következő táblázat azt mutatja, hogy egy tonna uránból milyen izotópok maradnak vissza a kiégés után, grammokban megadva.
Tudni kell, hogy Pakson, induláskor 965000 gramm U-238 és 35000 gramm U-235 izotópot tartalmaz egy tonna urán. (VVER-440, első oszlop)

Nuklid
VVER-440
reaktor
VVER-1000
RBMK-1000
U235
12700
12300
2940
U236
4280
5730
2610
U238
942000
929000
962000
Pu238
75,6
126
68,6
Pu239
5490
5530
2630
Pu240
1980
2420
2190
Cm244
14,8
31,7
5,66
Am241
517
616
293
Am243
69,3
120
73,8

Mint látható Pakson csak az urán-235 fele használódik el, az U-238-ból pedig mintegy kétszer annyi mint U-235-ből. Vagyis a mélyzöldek azon érve hogy csak az U-235-öt hasznosítjuk, még egy békés célú, termikus reaktorra sem igaz. Ha ehhez még hozzávesszük, hogy a Pu-238, Pu-239, Pu-240 simán helyettesítheti az U-235-öt, akkor látjuk, hogy a kiégett fűtőelemek újrafeldolgozása háromnegyed részben újra alkalmazható fűtőanyagot ad.  Azért kell feldolgozni a fűtőelemeket, mert a hasadványok amik felhalmozódtak, akadályozzák a láncreakciót. A plutóniumnál nagyobb rendszámú aktinidákat azért nem célszerű visszatenni a reaktorokba, mert akkor kalifornium izotópok keletkeznek, aminek annyira magas a spontán hasadása és ezáltal a neutronsugárzása, hogy nehéz kezelni a kiégett fűtőelemeket.

Hozzá kell tenni, hogy Paks az egyik legrosszabb urán hasznosító reaktor típus, mert tenyésztési tényezője csupán 0.6. A tenyésztési tényező az a száma, hogy az elfogyasztott hasadóanyag ellenében mennyi új hasadóanyag termelődik.  Van olyan kereskedelmi reaktor, ahol ez a tényező 1.6!!
 Ezek a gyorsreaktorok, amikről később fogok írni. Csak ezek még drágák és az urán annyira olcsó és annyira kidolgozott, megbízható a nyomott vizes technológia, hogy gazdaságilag még nem éri meg mást alkalmazni.

Megjegyezném, hogy a Mecsekben még 19 ezer tonna urán van.  Magyarország jelenlegi energia felhasználása, gáz, szén, olaj, atom együtt, annyi amit ez az urán mennyiség több száz évre képes lenne kiváltani.

10 komment

Mi az a hatáskeresztmetszet?

2014.02.03. 21:57 atombuzi

A hatáskeresztmetszet egy felület dimenziójú mennyiség, amely azt mutatja mekkora "felületet" mutat az adott atommag az adott részecskével egy bizonyos nukleáris reakcióra.
Ez függ az atommagtól, a bombázó részecskétől, annak energiájától, valamint más és más különböző reakciókra.
Ezek a reakciók sokfélék lehetnek, szóródás, rugalmatlan szóródás, befogás, más részecske kilökődése, hasadás.
Természetesen az atommag nem más más méretű, ez a "felület" csak a reakció valószínűségét mutatja.
A hatáskeresztmetszet mértékegysége a barn, ami 1*E-24 cm2.
A nukleáris fizikában a neutronok kölcsönhatása az atommagokkal egy külön fejezet, hiszen a nukleáris iparban a neutronok kölcsönhatásainak van a legnagyobb szerepe.
Szemléltessük ezt az urán példáján.
Az urán két izotópjának hasadási hatáskeresztmetszete termikus neutronok esetén. (energia 0.025 eV)
U-235  500 barn, az U-238 pedig 1E-5 barn.  Vagyis az U-238 nem hasad termikus neutronokra, azonban ha a neutronok energiája 1.5 MeV lesz, akkor ennek a reakciónak a hatáskeresztmetszete megnő. Ezt úgy fogalmazzuk, hogy az U-238 hasadásának küszöbenergiája neutronokra 1.5 MeV.
Azonban a hasadás mellett a neutronok befogása is folyik. Az U-235 neutron befogása 86 barn, míg a U-238 atommagé 2.4.  Ez azt jelenti hogy termikus neutronok esetén az U-235 atommagok kb egy hatoda nem hasad el hanem U-236 lesz belőle.  Az U-238 pedig kicsi valószínűséggel, de befogja a neutronokat, U-239, majd Np-239 aztán Pu-239 lesz belőle.  Belátható, hogy megfelelő moderálással, már a természetes uránban is lehetséges az önfenntartó láncreakció. A természetes víz erre nem alkalmas, mert bár nem túl nagy mértékben, de befogja a hidrogén atom a neutronokat. A nehézvíz már igen, mert a deutérium sokkal kevésbé teszi ezt, az oxigén-16 pedig nem fog be neutront.
Befogási hatáskeresztmetszetek  H - 0.08 barn, D - 0.0009 barn, O16 - 0 barn.
A fűtőelemekben azonban a neutronok még csak részben lassulva az urándioxid urán és oxigén atommagjain, a rezonancia neutronok energiáján (1-100 eV) reakcióba lépnek az uránnal. Az U-235 hasadási hatáskeresztmetszete 271 barn, míg az U-238 befogási hatáskeresztmetszete 270 barn. Vagyis erős moderálás nélkül nem fog elindulni a reakció természetes uránban, csak nagyon erős dúsítás esetén.
Ha azonban tiszta U-235 akkor az atomrobbanás lesz, mert az U-235 hasadási hatáskeresztmetszete minden neutron energiára nagyobb mint befogásra. Persze ennek van egy feltétele, hogy annyi urán legyen együtt, hogy a neutronok többsége ne szökjön ki hasadás kiváltása nélkül.  Ez attól függ mennyi urán van együtt és milyen alakban.  Az U-235 kritikus tömege gömb alakban 25 kg.  Plutónium-239 esetén 2 kg.
Ha erős a dúsítás és gyenge a moderálás, akkor létrehozható az úgynevezett gyorsreaktor.

De az egy másik poszt témája.

Vannak olyan atommagok, amelyek extra nagy mértékben fogják be a neutronokat, mint például a xenon-135, amelynek befogási hatáskeresztmetszet 1 millió barn!!.  Ez az atommag sajnos atomreaktorokban is képződik, ez egy úgynevezett reaktorméreg.  Ez az az izotóp, amely részben oka a csernobili balesetnek.

De ez egy újabb poszt lesz.

2 komment

Miért nem atombombák a paksi reaktorok?

2014.02.01. 23:55 atombuzi

Miért nem atombombák a paksi reaktorok?

Mert ez fizikailag lehetetlen.

Először is néhány alapfogalmat kell tisztázni. A természetes urán két izotópból áll. 99.3 százalék urán-238 és 0.7 százalék urán-235. Van nyomokban urán-234.

Az urán-235 egy különleges tulajdonsággal rendelkezik, termikus neutronok hatására széthasad és sok energia szabadul fel, kb 200 millió elektron volt. (200 MeV, 200 mega elektronvolt) Egy elektronvolt az az energia amire egy elektron szert tesz 1 Volt feszültség különbség hatására.

Egy elektronvolt nagyságrendbe esnek a kémiai reakciók, így érthető mekkora energiák rejtőznek ebben a reakcióban.

De mi az a termikus neutron? A termikus neutron energiája azonos a környezetének atomjainak mozgási energiájával. Ez szobahőmérsékleten körülbelül  0.025 eV.

A hasadásnál az urán-235 két, ritkán három részre hasad és 2-3 neutron szabadul fel, amelyek energiája 1-2 MeV energiájú. Ezek a szomszéd atommagokkal ütközve lelassulnak. Amíg a neutronok gyorsak addig kis valószínűséggel reagálnak a többi urán atommal és hatásuk nagyjából ugyanaz az U-235 és U-238 atomokra, vagy befogódnak, vagy hasítanak, vagy szóródva lassulnak.

Azonban a rezonancia neutronok sebességére lelassulva (1-100 eV) ez drámaian megváltozik, mert a neutronok befogásának valószínűsége az U-238 esetében több mint százszorosára növekszik, míg a hasadás valószínűsége csekély.

A természetes uránban, ha el is hasad egy urán atommag, az abból keletkező neutronok elnyelődnek az uránban. Ha azonban a neutron termikus energiára lassul, akkor az urán-235 hasítása kétszázötvenszer valószínűbb, mint hogy befogódik U-238-ban.

Vagyis ha a neutronok többségét lelassítjuk - moderáljuk - akkor láncreakció indul, megfelelő moderátorral akár a természetes uránban is.

Az urán tartalmú atombomba esetén az urán túlnyomó többségben U-235-öt tartalmaz, amit dúsítással állítanak elő. Az U-235 mindenféle energiájú neutron hatására nagyobb valószínűséggel hasad, mint hogy befogja azt. Ezért az atombombában nem kell moderálás.

A paksi atomreaktor fűtőelemei 3.5 százalék U-235 és 96.5 százalék U-238-at tartalmaznak induláskor. Ilyen dúsítottságú uránban nem indul meg önfenntartó láncreakció. Ez csak úgy indulhat meg ha a neutronokat lelassítjuk egy moderátorral.

A moderátor és a hűtőközeg természetes víz a paksi reaktorokban, amelynek hidrogén és oxigén atommagjain szóródva a neutronok lelassulnak.

Vagyis ha paksi reaktorokban elszabadul a láncreakció, akkor a víz felforr, a reaktor felhasad és a víz kiszökik - gőz robbanás - de eltűnik a moderátor így a láncreakció megáll, mert a neutronok elnyelődnek a paksi reaktorokban az urán többségét alkotó U-238 atomokban.

Az atombomba láncreakciójának lefutása ezredmásodperc nagyságú, tehát elvben gyorsabban lefuthatna egy ilyen reakció, mint ahogy a víz távozik.

Csakhogy ha egy "száraz" paksi reaktorba beöntjük a vizet, a gyorsan felfutó láncreakció már menet közben elforralja azt, azelőtt hogy a láncreakció atombomba méreteket öltene.

Ha egy vízzel teli paksi reaktorból kihúzzuk a fékező rudakat teljesen, akkor a víz előbb elforr és szétveti a reaktort, minthogy az atombombává válna. A fékezés teljes kiiktatása egyébként lehetetlen, mert a fékező anyag részben magában a vízben van oldva, bórsav formájában, vagyis a rudak teljes kihúzásával sem lesz a láncreakció elszabadulása atombombához hasonló.

Lényeges megjegyezni, hogy a paksi reaktorokban vannak vészleállító rudak, amelyek a neutronok túl magas száma esetén beejtik a reaktorba azokat a rudakat amelyek elnyelik a neutronokat és megállítják a láncreakciót. Ezek a vészleállító rudak automatikusak, saját érzékelőik és vezérlő elektronikájuk van, a reaktoroperátorok semmilyen módon nem férhetnek hozzájuk, egy működő reaktor megbontása kellene hozzá.

Megállapíthatjuk, hogy egy paksi reaktorban semmilyen körülmények között nem folyhat le egy atombombához hasonló folyamat.

A csernobili katasztrófa egy teljesen más lefolyású megfutásos folyamat volt, egy teljesen más típusú reaktorban, erről egy következő posztomban írok.

Kiegészítés:

Egy kolléga figyelmeztetett, hogy a sok tájékozatlan még mindig erősködik hogy Paks lehet atombomba.

Nos így néz ki egy "elszabadított" reaktor.

http://www.youtube.com/watch?v=mgNwtepP-6M

A magyarázat hogy miért áll le azonnal.

http://triga-world.net/technique.html

A sok kétkedőnek elmondanám,  hogy a paksi reaktorokkal még ezt a kísérletet sem lehetne előidézni.

A videón látható "atomrobbanás" :-)) sokkal nagyobb fokban dúsított uránnal lett végrehajtva.

Ha a fizikai tényeket nézzük, sorban az U235  befogási és hasadási hatáskeresztmetszete különböző neutron energiákon:

                     befogás hasadás

termikus:           86         504

rezonancia       131         271

gyors            0.095        1.29

Vagyis tiszta U235 estén minden neutron energiánál a hasadás lesz a fő reakció. Na akkor lesz atombomba!

Azonban ha sok U238 is van benne

                      befogás hasadás

termikus:          2.14     0.00005

rezonancia        277      0.0021

gyors               0.07      0.3

ha nem lassítjuk le a neutronokat, akkor az U238 elnyeli azokat és a láncreakció megáll.

De ha van is moderátor, például víz akkor lesz belőle atomreaktor. Gyors megfutás esetén - atombombaszerűt feltételezve - azonban az üzemanyag annyira felhevül, hogy nem lassulnak le eléggé a neutronok,  sőt az oda kerülő termikus neutronok is felgyorsulnak.

Továbbá különböztessünk meg két dolgot.  A megfutás egy magas hasadási szintről való teljesítmény emelkedés.

Ez szétveti a reaktort mint Csernobilban, hiszen egy kicsi fékezés csökkenés is elindít egy ilyet, de a teljesítménynövekedés nem fejlődik atombombává.

Az atombomba szinte nulláról indulva nagy sokszorozási tényezővel fejlődik robbanássá, neutron generációról, neutron generációra exponenciálisan növekedve.

Tehát a robbanás sebességét alapvetően két dolog határozza meg, mennyi idő múlva hasít újabb atomot a keletkezett neutron és egy hasadásból hány olyan neutron keletkezik amelyik hasít, ez a sokszorozási tényező.

Pakson a sokszorozási tényező fékezés nélkül 1.2, a neutron élettartam pedig 1E-4 másodperc.

Egy atombombában a sokszorozási tényező kezdetben 2.5-2.8 míg a neutron élettartam 1E-8 másodperc.

Vagyis Pakson a láncreakció elszabadulása esetén sincs ideje atombombává fejlődni a felhevülés miatt, ami leállítja a láncreakciót.

Még egyszer - P A K S    S O S E M    L E H E T    A T O M B O M B A  -  az ismert fizika kizárja ezt.

3 komment