Molnár Dávid: Atomerőmű

„Az atommagok átalakulásakor keletkező energia gyakorlati hasznosítása”[1]-ként lehetne legrövidebben megfogalmazni az atomerőművek működésének alapötletét. A maghasadás –fisszió – során létrejövő hőt hasznosítják egy hőerőművi egységben, ezért nevezik speciális hőerőműnek az atomerőműveket. Maghasadás urán- és plutóniumizotóp esetén megy végbe könnyedén úgy, hogy energetikailag kedvezőbb állapotba jutnak a hasadás során, így pozitív lesz az energiamérlegük. A természetes után 99,3%-a 238-as, 0,7%-a pedig 235-ös izotóp.[2] Az utóbbi izotóp bomlását használják ki a mai atomerőművek túlnyomó többsége. Az előbbiekben említett magreakción – fisszió – kívül létezik még kis tömegszámú atommagokat egyesítő eljárás is, amelyet fúziónak neveznek. Fúziós folyamatokat jelenlegi ismeretek szerint erőművi energiatermelésre nem tudnak felhasználni, viszont ezen a technológián alapuló hidrogénbombát már előállítottak.

Az atomerőművek általában alaperőműként szolgálnak, így a rendszerszintű teljesítményszabályozási feladatokban nagyrészt nem vesznek részt. A hazai atomerőmű hatásfoka 34,29%, 5,94%-os önfogyasztás mellett.[3]

Az atomerőművek technológiai csoportosítása:[4]

1. Könnyűvizes (könnyűvíz hűtésű és könnyűvíz moderátoros) atomreaktor (LWR)
   1. Nyomottvizes reaktor (PWR)
   2. Elgőzölögtető reaktor (BWR)
2. Nyomottvizes, nehézvíz (D²O) hűtésű és nehézvíz moderátoros atomreaktor (PHWR)
3. Grafitmoderátoros atomreaktor
   1. Könnyűvizes elgőzölögtető, grafitmoderátoros atomreaktor (LWGR)
   2. Gázhűtésű, grafitmoderátoros atomreaktor (GGR)
   3. Továbbfejlesztett gázhűtésű, grafitmoderátoros atomreaktor
   4. Golyóágyas moduláris atomreaktor
4. Gyorsreaktorok (FBR)
5. Kis és közepes atomreaktorok

A paksi atomerőműben lévő 4 darab reaktor a könnyűvizes, nyomottvizes reaktorok (PWR) közé tartozik. Típusuk VVER-440 (V.213), amely utal a 440 MW elérhető névleges teljesítményre. Ezt mind a négy blokk esetében 2009-re 500 MW-ra emelték különböző fejlesztésekkel, így az erőmű összteljesítménye 2000 MW lett. Az egyes reaktorok hőteljesítménye külön-külön 1485 MW. Az egyes főberendezések elosztását az 1. ábra szemlélteti.

1. ábra A paksi atomerőmű energiatermelésében részt vevő főberendezések sematikus ábrája[5]

Az atomerőművek a primer körre és a szekunder körre oszlanak. A primer körben található a reaktor, a térfogat kiegyenlítő, és a gőzfejlesztő. A reaktor felépítését a 2. ábra mutatja meg. A reaktorban található reaktortartályt 125 bar nyomásra tervezték, hogy a 30 éves élettartam alatt a legnagyobb biztonsággal elbírja a szilárdsági és radioaktív sugárzás által keletkező terheléseket. Méretei: 13,75 m magas, és legnagyobb átmérője 4,3 m. A tartályt három részre lehet bontani. Felső részében találhatók a rozsdamentes acélból készült védő csőblokk. Feladata leszorítani a kazettákat, védeni a szabályzó rudakat és tartani a zónán belüli mérések érzékelőit, vezetékeit. Az akna a reaktortartály belsejében található, tartalmazza a szerkezeti elemeket, aktív zónát, illetve a meleg és hideg vízáramot választja el. Az aknához alulról kapcsolódik a fékező csőblokk, ez felfogja a szabályozó és biztonsági rudak esését, és az aktív zóna előtti hűtővíz áramlásáért is felel. A reaktortartályt felülről a reaktorfedél zárja le. „A tartályon különböző magasságokban helyezkedik el a hűtőközeg be- és kivezetésre szolgáló hat belépő és hat kiömlő csonk.”[6]

2. ábra A VVER-440/213 típusú reaktor[7]

Az aktív zóna a reaktortartályon belül egy kosárban van, ami lehetővé teszi az üzemanyagkazetták pontos elhelyezését. Az aktív zónában „312 üzemanyagköteg és 37 olyan köteg van, amely felül szabályozó, illetve biztonsági rudakat, alul üzemanyagrudakat tartalmaz.”[8] A reaktorok üzemanyaga az urán-dioxid, amelyeket pasztillákká préselnek. Egy-egy ilyen pasztilla mérete kb. ceruzaelem méretű. Ezeket a pasztillákat cirkónium-nióbium ötvözetből készült csövekbe töltik. A burkolatot és az üzemanyagot együttesen fűtőelempálcának nevezik. Pakson 126 pálca jelent egy fűtőelem köteget, más néven kazettát. Egy kazettát három ciklusban használnak fel. Első körben a friss 3,6%-os dúsítású köteget a zóna szélére tesznek, ahol egy év alatt 2,4%-ra csökken a dúsítása. Második évükben 1,6%-osra égnek ki, miután az zóna közepére helyezik őket, a teljes kiégésig. Az egyszerre jelen lévő teljes urántöltet mennyisége 42 t.

A Paksi Atomerőmű reaktortere

Az aktív zónában keletkező hatalmas mennyiségű hő elszállításáról Pakson 6 darab hűtőkör gondoskodik. A hűtőkörök szállítják a 330 °C-os vizet a gőzfejlesztőbe, amik a szekunder kör által használt gőzt állítják elő. Három gőzfejlesztő egy 250 MW névleges teljesítményű telítettgőz-turbinát lát el. Az itt lehűlt hűtővizet keringtető szivattyún keresztül visszavezetik a reaktorba. A kilépő gőz még tartalmaz nedvességet, amit el kell távolítani mielőtt még a turbinához jutna (mivel rontja a hatásfokot), ezért cseppleválasztót alkalmaznak, amivel jelentősen csökkenthető a gőz nedvességtartalma.

A szekunder körben megtalálható berendezések a hőerőműveknél is jelentkező egységek. A gőz meghajtja a turbinát, ami egy tengelyre van kapcsolva a generátorral. Így a hőenergia mozgási energiává alakul, amit a generátor átalakít villamos energiává. A Paksi Atomerőmű turbinája háromházas, egy nagynyomású és kettő kisnyomású ház helyezkedik el benne. A nagynyomású ház hatfokozatú, itt a gőz hőmérséklete lecsökken 140 °C-ra, nedvességtartalma pedig növekszik. Ezért újra le kell választani a cseppeket, mielőtt még az 5-5 fokozatú kisnyomású házba jutnának. Az innen kilépő gőz kondenzátorba kerül, ahol a Dunából kivett hűtővíz csövein lecsapódik. „A turbinán a munkagőzt a gőzfejlesztő és a kondenzátor közötti nyomáskülönbség hajtja át.”[9] Ez a cseppfolyósított közeg visszajut előmelegítőkön és tisztítókon keresztül a gőzfejlesztőbe. A turbináról levett gőzzel felhevítik 225 °C-ra és így jut vissza a gőzfejlesztőbe, „ahol újra átveheti a primer köri víz hőjét”.[10]

A Paksi Atomerőmű turbinacsarnoka

A Paksi Atomerőmű is kiemelt hangsúlyt fektet a biztonságra. Itt a primer köri fővezeték törésével számolnak, mint legsúlyosabb üzemzavari tényező. Ha bekövetkezne valamilyen üzemzavar, akkor a szabályozó rudak beesnek az aktív zónába, leállítva a láncreakciót „12-13 másodperc alatt”[11]. Viszont ezután tovább bomlanak a radioaktív hasadványok, ami jelentős hőtermeléssel jár. Ilyen esetekre felkészülve található passzív és aktív üzemzavari hűtőrendszer. A passzív rendszerben bórsavas vizet tárolnak (a bór neutronelnyelő hatása miatt a láncreakció nem indul újra), amit benyom a reaktortartályba, nyomáskülönbség esetén. Nyomáskülönbség akkor jöhet létre, ha valamely cső törésénél távozó víz elforr. Az aktív rendszer nagynyomású része tartályból szállít bórsavas vizet egy ki nem zárható csővezetéken.

„A kisnyomású csoport nagyteljesítményű szivattyúi a tárolt és a bokszok padlózatán összegyűlt vizet szállítják a passzív rendszer tárolói és az atomreaktor közötti vezetékbe.”[12] Az elforrt víz, immár gőz formájában túlnyomásossá teszi a hermetikusan zárt helyiséget. A radioaktív gőzt meg kell akadályozni abban, hogy kikerüljön a szabad térbe, és ezt aktív és passzív lokalizációs rendszerek valósítják meg. Az aktív lokációt a „sprinkler” rendszer úgy látja el, hogy bóros vizet porlaszt a hermetikusan zárt térbe, ezzel kondenzálva a gőzt. A passzív lokalizációt a lokalizációs torony végzi el. A csővezeték törésekor keletkező gőz a tér levegőjével átáramlik a toronyba, ahol vizes tálcákon áramlik át, ami lekondenzálja a gőzt. Ezek együttesen megakadályozzák a radioaktív anyagok környezetbe való kijutását.

Az atomreaktorok környezetre gyakorolt hatását tekintve nem a normál üzemviteli sugárzástól tart a társadalom, mivel az a természetes háttérsugárzással mérhető össze. Az üzemzavar, nukleáris baleset esetén természetbe kerülő sugárzó szennyeződésétől tart inkább, viszont ennek az eseménynek a bekövetkezésére elég kevés esély van, és ha be is következik, a modern biztonsági berendezések rendszerei meggátolják a szabad térbe jutást. A legnagyobb problémát a kiégett hasadóanyag kazetták végleges elhelyezése jelenti. Ez a Paksi Atomerőmű tekintetében még nem megoldott kérdés. Átmenetileg az erőmű területén tárolják őket. Megoldás lehet az anyagkőben való elhelyezés, amit Boda község környékén készülnek megvalósítani. Többször túlbiztosítással, először üvegesítik a hulladékot, majd kap egy fémburkolatot, és a tároló kőzetbe helyezve kiöntik betonnal.[13]

Az 50 év alatt több mint 400 atomerőmű épült és eddig csak 3 jelentős reaktorbaleset történt: 1957-ben az északnyugat angliai Windscale erőműben, 1979-ben az Egyesült Államokban a Three Mile Island atomerőműben, 1986-ban Csernobilban. A reaktorok a statisztikák szerint ezerszer biztonságosabbak, mint a gépkocsik.

A Paksi Atomerőmű látképe

[1] Pattantyús: Gépész- és villamosmérnökök kézikönyve, 8. kötet: villamos energia (főszerkesztő: Vajta Miklós); Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1967, 61. oldal

[2] Dürr László-Kassai József: Villamos berendezések és hálózatok létesítése I., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2004, 56. oldal

[3] Fazekas András István: Villamosenergia-rendszerek rendszerszintű tervezése I., Akadémiai Kiadó, Budapest, 2006, 568. oldal

[4] Fazekas András István: Villamosenergia-rendszerek rendszerszintű tervezése I., Akadémiai Kiadó, Budapest, 2006, 363. oldal

[5] Forrás: http://www.atomeromu.hu/download/4579/Működési%20séma2010.pdf Elérhető: 2010. november 2.

[6] Forrás: http://www.atomeromu.hu/download/1583/A%20primer%20kör.pdf Elérhető:2010. november 2.

[7] Forrás: http://www.atomeromu.hu/download/1121/vver-440_213reaktor.jpg Elérhető: 2010. november 2.

[8] Büki Gergely: Erőművek, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2004 254. oldal

[9] Forrás: http://www.atomeromu.hu/download/3459/A%20szekunder%20k%C3%B6r.pdf Elérhető: 2010. november 02.

[10] Forrás: http://www.atomeromu.hu/download/3459/A%20szekunder%20k%C3%B6r.pdf Elérhető: 2010. november 02.

[11] Forrás: http://www.atomeromu.hu/download/1585/Biztons%C3%A1gv%C3%A9delmi%20rendszerek.pdf Elérhető: 2010. november 02.

[12] Büki Gergely: Erőművek, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2004 273. oldal

[13] Forrás: http://www.atomeromu.hu/download/555/V%C3%A9gleges%20elhelyez%C3%A9s.pdf Elérhető: 2010. november 02.