Magyarországon ma négy atomerőművi blokk termel villamos energiát, egy kutatóreaktor működik Csillebércen, és a BME NTI üzemelteti az Oktatóreaktort. A világon jelenleg hetvenegy atomerőművi blokk épül, a nemzetközi kutatási programokban pedig hat alapkoncepciót jelöltek ki, mint jövőben kifejlesztendő reaktortípusokat. Az előadásban első sorban a BME NTI-ben zajló negyedik generációs típusokkal kapcsolatos kutatások közül a sóolvadékos reaktor(ok)ról lesz szó, de a végén lenne egy nagyon rövid kitekintés a világon épülő korszerű harmadik generációs atomerőmű típusokra (pl. EPR, AP1000, VVER-1200) is.

1. A jövő atomreaktora(i)
Yamaji Bogdán
Nukleáris Technikai Intézet
BudapestMűszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Budapest Science Meetup, 2014. február 13.

2. Atom, atommag, nukleonok
Atom: atommag + elektronfelhő
Atommag: protonok+neutronok
atommag
10-10 m = 0,0000000001 m
Bp science meetup
10-14 m = 0,00000000000001 m
Yamaji Bogdán, BME NTI
2

3. Maghasadás
• 1939, Otto Hahn és Fritz
Strassmann, Lise Meitner:
– neutronsugárzás hatására az
uránatom magja két közepes
atommagra esik szét, eközben
újabb neutronok és
energia keletkezik
• A természetes urán főbb
izotópjai:
99,3 %-a 238-as,
0,7 %-a 235-ös
• Az U-238-as csak igen ritkán
hasad, az U-235-ös hasadása
gyakorlati szempontból sokkal
jelentősebb ⇒ reaktorokhoz
dúsítják.
ADVENTURES INSIDE THE ATOM, General Electric, National Archives (1948)
http://www.osti.gov/manhattan-project-history/Resources/adventures_atom.htm
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
3

4. Maghasadás
• 1 db U-235
elhasadásakor:
kb. 200 MeV =3,2×10-11
J energia szabadul fel.
• Magyarország éves
villamosenergiafogyasztása ~19 t tiszta
U-235 elhasadásával
fedezhető lenne.
• Ugyanennyi energiát
kapunk 47×106 t (tehát
kb. 2,5 milliószor annyi)
feketekőszén
eltüzelésekor!
Bp science meetup
http://xkcd.com/1162/
Yamaji Bogdán, BME NTI
4

5. Láncreakció
• A hasadásból átlagosan 2,4 gyors neutron is kilép, ezeket az ún.
moderátorral lelassítva újabb hasadásokat hozhatunk létre
Bp science meetup
Animáció
Yamaji Bogdán, BME NTI
5

6. Az atomreaktor
• Az atomreaktorban nagy
mennyiségű hasadóanyag
felhasználásával szabályozott
láncreakciót valósítunk meg.
• A gyors hasadási neutronok
lelassításához kell a
moderátor.
• A felszabaduló energiát a
hűtőközeg segítségével
vezetjük el a reaktorból.
• A neutronok számának (ezzel
a teljesítmény) szabályozására
szolgálnak a szabályozó
rudak.
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
6

7. Atomerőmű
Nyomottvizes reaktorral
térfogatkompenzátor
sz. rudak hajtása
szabályozórudak
gőzfejlesztő
frissgőz
Bp science meetup
generátor
tápvíz
előmelegítő
fűtőelemek
reaktortartály
turbina
fő keringető szivattyú
betonvédelem
(konténment)
Yamaji Bogdán, BME NTI
kondenzátor
tápvízszivattyú
hűtővíz
7

8. Különleges reaktorok
Lenin (1957-1989)
Nautilus SSN-571
Ford Nucleon, 1958
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
8

9. Sóolvadékos reaktor történet
Aircraft Nuclear Propulsion program (1946-61)
• Aircraft Reactor Experiment (2,5 MWth)
• Aircraft Reactor Test („Fireball”, 60 MWth)
–
NaF-ZrF4-UF4
Full-Scale ART Model
Full-Scale ART Model
Bp science meetup
ART Building
Yamaji Bogdán, BME NTI
9

10. „There were two people at the [Manhattan Project]
metallurgical laboratory, Harold Urey, the isotope chemist, and
Eugene Wigner, the designer of Hanford, both Nobel Prize
winners who always argued that we ought to investigate
whether chain reactors, engineering devices that produced
energy from the chain reaction, ought to be basically
mechanical engineering devices or chemical engineering
devices. And Wigner and Urey insisted that we
ought to be looking at chemical devices – that
means devices in which the fuel elements were
replaced by liquids.”
The Proto-History of the Molten Salt System
Alvin M. Weinberg, Former Director, Oak Ridge National Laboratory
February 28, 1997
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
10

11. „Hagyományos” vs. sóolvadékos
Szilárd ÜA, víz hűtés, magas nyomás
p: ~130 bar, Tmax: ~330°C
Folyékony ÜA, egyben hűtőközeg,
alacsony nyomás, magas hőmérséklet
p: ~1 bar, Tmax: akár 700-800°C
Off-gas
System
Primary
Salt Pump
Secondary
Salt Pump
NaBF4 _ NaF
Coolant Salt
o
454 C
o
o
621 C
704 C
Purified
Salt
Graphite
Moderator
Reactor
Heat
Exchanger
o
566 C
Chemical
Processing
Plant
LiF _ BeF2 _ ThF4 _ UF4
Fuel Salt
7
Steam Generator
o
538 C
Freeze
Plug
TurboGenerator
Critically Safe, Passively Cooled Dump Tanks
(Emergency Cooling and Shutdown)
Molten Salt Breeder Reactor
•
•
•
Bp science meetup
2250 MWth, 1000 MWe
71,7% 7LiF - 16% BeF2 - 3% ThF4 - 0,3% UF4 (mol%)
tenyésztési tényező: 1,065
Yamaji Bogdán, BME NTI
11

12. „Hagyományos” vs. sóolvadékos
• Üzemanyag összetétele jól, akár üzem közben
változtatható → radioaktív hulladék kiégetése
(transzmutáció), tórium hasznosításra
• Magas hőmérséklet → magas erőművi hatásfok, de
alkalmas lehet hidrogén termelésére, folyamathő
hasznosításra
• Jó neutron-hasznosítás: alkalmazható aktinida égetésre
(transzmutációra) vagy hasadóanyag-tenyésztésre
• Nem kell üzemanyagot szerelni
• Nincs zónaolvadás
• Folyamatos üzemanyag betöltés és csere
• Sóolvadékok alacsony nyomáson tarthatók
• Sóolvadékok nem reagálnak hevesen vízzel
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
12

13. „A” sóolvadékos reaktor
Molten Salt Reactor Experiment (1965-1969)
• 10 MW (8 MW)
• 70,7% 7LiF - 16% BeF213% ThF4 - 0,3% UF4 (mol%)
• 93% U-235
• Belépő hőmérséklet: 635 °C
• Kilépő hőmérséklet: 663 °C
szivattyú
reaktortartály
hőcserélő
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
13

14. Sóolvadék: príma hőszállító közeg
Hélium
Nátrium
Magas nyomás
Légköri
átlátszó
nem átlátszó
forráspont: 883ºC
Inert
hevesen reagál
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
Sóolvadék
Légköri
átlátszó
> 1200ºC
enyhén reaktív
14

15. Sóolvadék: príma hőszállító közeg
• Naptornyok
– pl: Solar 2 (USA, Mojave-sivatag)
sóolvadékos torony, 10 MWe
• 60% NaNO3 - 40% KNO3
• sóolvadék melegág T: 565 °C
• hidegági T: 288 °C
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
15

16. 4. generációs reaktorkoncepciók
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
16

17. 4. generációs reaktorkoncepciók
A kiválasztott hat reaktorfejlesztési irány:
• Szuperkritikus vízhűtésű reaktor (SCWR – Supercritical-Water-Cooled
Reactor): magas nyomású és magas hőmérsékletű, vízhűtésű reaktor, ami a víz
termodinamikai kritikus pontja felett üzemel
• Nagyon magas hőmérsékletű reaktor (VHTR – Very-High-Temperature
Reactor): grafit moderátoros, héliumhűtésű reaktor nyitott üzemanyagciklussal
• Gázhűtésű gyorsreaktor (GFR – Gas-Cooled Fast Reactor): héliumhűtésű
gyorsreaktor zárt üzemanyagciklussal
• Nátriumhűtésű gyorsreaktor (SFR – Sodium-Cooled Fast Reactor):
gyorsneutronspektrumú, nátriumhűtésű reaktor és zárt üzemanyagciklus, az
aktinidák hatékony kezelésére és a fertilis urán hasadóanyaggá alakítására
• Ólomhűtésű gyorsreaktor (LFR – Lead-Cooled Fast Reactor): gyorsneutronspektrumú, ólom vagy ólom-bizmut eutektikum folyékonyfém-hűtésű reaktor és
zárt üzemanyagciklus, a fertilis urán hasadóanyaggá történő hatékony
átalakítására és az aktinidák kezelésére
• Sóolvadékos reaktor (MSR – Molten Salt Reactor): folyékony üzemanyag
kering a reaktorban, hasadóanyag sóolvadék keverékben feloldva, cél a
hasadási termékek, aktinidák (radioaktív hulladék) kiégetése, a tórium
alkalmazása magas hatásfokú villamosenergia-termelés mellett.
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
17

18. 4. generációs reaktorkoncepciók
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
18

19. • EVOL MSFR
benchmark v3
•
MSFR – Molten Salt Fast Reactor
–
–
–
–
–
–
Tbe=650°C
Tki=750°C
∆T=100°C
3000 MWth
LiF-22,5% UNF4 , Tm: 565 °C
aktív zóna: henger
•
–
16 hurok, a zónapaláston egyenletesen
elosztva
•
•
•
–
–
homogén
belépőcsonkok alul
kilépőcsonkok felül
keringető szivattyúk, hőcserélők
tenyészköpeny, axiális reflektorok, stb
gyorsreaktor tórium hasznosításra,
hasadóanyag tenyésztésre
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
19

20. Kísérleti modellek
•
MSRE program
– 1:5 műanyag modell víz munkaközeggel
• belépő zóna, gyűrűs leszállóakna
– 1:1 acél-alumínium modell víz munkaközeggel
• belépő zóna
• „Since water was used for this test, the
MSRE Reynolds number was not reproduced
exactly. However, the Reynolds numbers in
the volute are well into the turbulent
range”
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
20

21. Kísérleti modellek
•
Példák kísérleti
berendezésekre
– energetikai reaktorok
modelljei
– 1:5 arányú plexi
modellek víz
munkaközeggel
(szobahőmérsékleten)
– Névleges Re (reaktor):
~107
– Modell Re: ~105
– turbulens
ROCOM – KONVOI (HelmholtzZentrum Dresden-Rossendorf)
– cél:
hűtőközegkeveredés,tranziensek,
stb. vizsgálata,
mérési adatok
validációhoz
Gidropress modell – VVER-1000
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
Vattenfall modell – 3-hurkos Westinghouse PWR
21

22. Modell tartály + hurok
gömbcsap: Oventrop
Optibal DN50
szabályzószelep:
Oventrop Hydrocontrol
VTR DN32
MSFR
negyedmodell
áramlás
iránya
kezdeti csőhossz DN50, l0 = 1,5 m
MOM Hydrus ultrahangos
átfolyásmérő DN32
áramlás
iránya
Wilo Economy
MHIL 903
leeresztés/feltöltés
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
22

23. Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
23

24. Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
24

25. Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
25

26. L [m/s] ; 33,75° ; z=0,265 m
33,75° z = 265 mm
1,2
3
l
m
q = 2,7 = 9,72
s
h
1
M1
L [m/s]
0,8
M2
M3
0,6
M4
M5
0,4
CFX
0,2
0
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1
r/R
V [m/s] ; 33,75° ; z=0,265 m
U [m/s] ; 33,75° ; z=0,265 m
1,2
0,15
1
0,1
U [m/s]
M1
M2
0
M3
M4
-0,05
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1
M5
V [m/s]
0,8
0,05
M1
0,6
M2
M3
0,4
M4
0,2
M5
CFX
0
-0,1
-0,2 0
-0,15
1
-0,4
r/R
Bp science meetup
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
r/R
Yamaji Bogdán, BME NTI
26

27. L [m/s] ; 33,75° ; z=0,265 m
33,75° z = 265 mm
1,2
3
l
m
q = 2,7 = 9,72
s
h
1
M1
L [m/s]
0,8
M2
M3
0,6
M4
M5
0,4
CFX
0,2
0
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1
r/R
V [m/s] ; 33,75° ; z=0,265 m
U [m/s] ; 33,75° ; z=0,265 m
1,2
0,15
1
0,1
U [m/s]
M1
M2
0
M3
M4
-0,05
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1
M5
V [m/s]
0,8
0,05
M1
0,6
M2
M3
0,4
M4
0,2
M5
CFX
0
-0,1
-0,2 0
-0,15
1
-0,4
r/R
Bp science meetup
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
r/R
Yamaji Bogdán, BME NTI
27

28. A közeljövő – épülő blokkok, típusok
Barakah, Emirates Nuclear Energy Corp., 2013. 01. 25.
Akademik Lomonosov, Rosatom, atominfo.cz 2013. 10. 01.
http://simpsons.wikia.com/wiki/Springfield_Nuclear_Power_Plant
Bushehr, PressTV
Bp science meetup
Shin Kori 3 és 4, MOTIE, 2010. 01. 04.
Yamaji Bogdán, BME NTI
28

29. European Pressurized Reactor - EPR
Olkiluoto-3, Finno.; Flamanville-3, Franciao.; Taishan-1 és -2, Kína; Hinkley Point C, UK
OL-3, TVO, 2009. 09. 06.
OL-3, TVO, 2014. 01. 13.
Fla-3, EDF, wnn, 2014. 01. 27.
Ta-2 felé, CGNPC, 2013. 05. 23.
•
•
•
Ol-3: építés kezdete: 2005, eredeti tervek: kész: 2009, termelés 2010-től, jelenlegi terv: termelés 2015-től.. (?)
Fla-3: építés kezdete: 2007, tervezett építési idő: 54 hónap; jelenlegi cél: kész 2016-ra...
Taishan: ép. kezdete: 2009/2010, termelés kezdése 2014/15-ben
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
29

30. European Pressurized Reactor - EPR
Spreading Compartment
Severe Accident
Heat Removal
System
IRWST
Bp science meetup
Safety
Buildings
Yamaji Bogdán, BME NTI
30

31. • USA – 4, Kína – 4
AP1000
Sanmen 1, CNEC, wnn, 2014. 01. 22.
Sanmen 1, 2010. 10. 14.
TVO, 2009. 11. 02.
•
Röviden: mind menetrend szerint
előrehaladott állapotban
Vogtle-3, -4., Georgia Power, 2013. 07. 22.
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
31

32. • USA – 4, Kína – 4
Bp science meetup
AP1000
Yamaji Bogdán, BME NTI
32

33. VVER-1200/AES-2006/MIR-1200 (V-392M/491)
• Oroszország – 4, 2014/16, 2013/16
Törökország – 4
Finnország – 1
Paks 2 - 2
Leningrad II-1,
Titan2, 2009. 09. 28.
Bp science meetup
Novovoronyezs II-1,
AEP, 2012. 10. 09.
Yamaji Bogdán, BME NTI
33

34. VVER-1200/AES-2006/MIR-1200 (V-392M/491)
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
34

35. Köszönöm a figyelmet!
•
•
Ez a munka az Európai Atomenergia Közösség (EURATOM) 7. kutatás-fejlesztési keretprogramja által támogatott EVOL projekt (támogatási megállapodás száma: 249696 EVOL)
keretében készült. A projekthez kiegészítő finanszírozást nyújtott a Nemzeti Fejlesztési Ügynökség az Új Széchenyi Terv EU_BONUS_12 programja keretében (szerződés száma:
EU_BONUS_12-1-2012-0003).
A munka szakmai tartalma kapcsolódik a "Minőségorientált, összehangolt oktatási és K+F+I stratégia, valamint működési modell kidolgozása a Műegyetemen" c. projekt szakmai
célkitűzéseinek megvalósításához. A projekt megvalósítását az ÚSZT TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0002 programja támogatja.
Bp science meetup
Yamaji Bogdán, BME NTI
35