TESZERAKT SCI-FI KLUB

 

Atomerőművek
1992 III.6
Atomerőművek balesetei
1999 IX.17

1934-ben, Fermi egyik segédje (Pontecorvo) felfigyel a radioaktivitás növekedésére az ólom doboz oldala közelében.Az addig ismert uránérc hasadas nem adot magyarázatott a jelenségre.


MSb + MNb ≠ MU  Stibium és Nobium


A kísérlet rutinmunka volt, amely abból állt, hogy megkellett mérjék bizonyos ezüsthengerek radioaktivitását, persze azután, hogy belsejükbe egy darabka urán ércet helyeztek. Az így elkészített hengerecskék egy ólomdobozba voltak helyezve, azért, hogy csökkentsék amennyire lehet a kísérletezők által elnyelt sugárzást. Pontecorvo viszont most felfigyelt arra, hogy az ezüst hengerecskék radioaktivitása változik, attól függően, hogy hol vannak elhelyezve – az ólom doboz közepén, vagy szélén. Miután szólt Ferminek, az elrendeli, hogy vegyék ki az ólomdobozból az ezüst hengerecskéket és úgy is mérjék meg a radioaktivitásukat. Meglepetten tapasztalják, hogy a hengerek radioaktivitása sokkal kisebb mint az ólom dobozba volt. Nekifognak hát, hogy mindenféle anyagokból készült dobozokba helyezzék az ezüst hengereket, belsejükben persze az urán érccel. 1943 október 22-en egy ilyen henger egy parafin darabba vájt üregbe került. Amikor a Geiger számlálót hozzá közelítették, mindenki meglepetten felkiáltott. A parafin több mint százszor növelte az ezüst radioaktivitását ! Fermi még aznap ebéd közben megoldja a rejtélyt. Az uránércből kibocsátott neutronok nekiütköznek az anyagok atommagjainak. Ha az anyag súlyos, tehát nagy tömegű az atommag, akkor a neutronok úgy visszapattannak róla mint a teniszlabda a falról, ha viszont az anyag könnyű, tehát az atommag tömege kicsi, hasonló a neutron tömegével, akkor olyan mintha két ping-pong labda összeütközne. A mozgó labda mozgásba hozza a másikat, átadja neki egy részét a mozgási energiájának, így ő maga lelassul. Ezek a lassított neutronok. A parafin nagyon könnyű anyag, de a legkönnyebb a hidrogén, ez pedig bőven van a Földön egy ismert vegyületben : H2O. Fermi laboratóriuma mögött volt egy szökőkút, aranyhalakkal. A társaság kivonult ide és a vízbe rakták az ezüsthengereket, a közepükbe a neutron forrással. A Geiger számláló bebizonyította a feltételezést. A víz nagyon megnövelte az ezüst hengerek radioaktivitását. Egyszóval a lassú neutronoknak több esélyük van arra, hogy nekiütközzenek az ezüst atommagnak, mind a gyorsaknak.)Igy fedeyték fel a lassított neutronokat.
1942 novemberében, a Chicago-i Egyetem stadionjának lenézői alatt, Fermi megépíti a világ első atomerőművét : 400 tonna grafit, 6 tonna fém uránium (50 tonna urániumoxid energia termelésé 2 KW), levegő hűtéses.(Jó tudni, hogy a kritikus tömeg előállítása függ az üzemanyag tartalmától és formájától. Tiszta U235 : 8,7 cm gömb – 52 Kg.Egy erőműben ahol U235 - 3%, a szükséges tömeg ~ 100 tonna.
A természetes uránium két izotópból áll : 99%-ban U238 és csak 1%-ban U235.)
Az atomerőművek építésében két stratégia létezik :
 i)természetes uránércet felhasználó és
ii)dúsított urán érccel működök

i) CANDU (Canadian Deuterium Uranium)
(A világban működő erőművek 5%-a ilyen.)


A CANDU természetes uránércet használ.
Felépítése egyszerű : a reaktorban van elhelyezve az uránérc. A neutronok fékezését nehéz vízzel oldják meg, amit arra is használnak, hogy a keletkezet hőt egy primer vízkör segítségével egy hőcserélőbe szállítsák. A szekunder vízkör vize itt alakul gőzzé ami hajtja az áramfejlesztő generátort, majd lecsapódva visszakerül a hőcserélőbe.
Egy atomerőműben féken kell tartani a láncreakciót. Miután összehozták a kritikus tömeget, ügyelni kell arra, hogy a keletkező neutronok egy részét eltávolítsák, azért, hogy ne történjen robbanás. Ezt úgy oldják meg, hogy a reaktorba olyan anyagokat helyeznek amelyek elnyelik a neutronokat. Ilyen anyagok például a grafit, bór, cadmium, stb., amelyeket általában rudak formájában használják.
A gyors neutronokat le kell fékezni ahhoz, hogy megnöveljük a neutronok összeütközésének valószínűségét a radioaktív anyaggal. Ilyen fékező anyag, mint láttuk a víz, de még jobb a nehéz víz, amiben a hidrogén egyik izotópja, a deutérium van többletben, vagy a grafit.
Minden egyes neutron értékes a reaktorban ezért azokat a neutronokat melyek el akarják hagyni az aktív zónát egy neutron tükröző anyaggal vissza verik, a sugárzás elnyeléséért az egészet egy masszív nehézbetonból készült tömbbe zárják. Az ólom jobb lenne, de puha anyag nem állna szembe az esetleges robbanásokkal..
A maghasadás által termelt hő elvezetésére és árramá való átalakítására épül a hűtési berendezés.

ii)Ismertebb típusú dúsított urán érccel működő atomerőművek :

  PWR (Presurized water reactor) 

 

A  PWR-ék magas nyomású reaktorok (140 – 175 atmoszféra),a hatásfokuk 32-33% , a világ reaktorai közül 50%-a ilyen.
A PWR reaktorok gazdagított uránércet használnak, neutron fékező anyagnak a sima vizet használják. Hogy kiküszöböljék a víz fövését, a primer kör magas nyomás alatt van (140-175 atmoszféra). Ahhoz, hogy a nyomás állandó maradjon, egy nyomás szabályzóval látták el a primer vízkört. Ez a nyomás szabályzó egy különlegesen megépítet tartály, melyik a felső felében egy víz permetező rendszerrel van ellátva, az alsó felében pedig egy melegítővel. A nyomás ingadozást a tartály felsőfelében levő gőzpárna veszi át. Ugyan itt vannak elhelyezve a biztonsági szelepek, melyek akkor nyílnak ha a gőz nyomása túlhalad bizonyos biztonsági határt.

BWR (Boiler Water Reactor )


A forrásban (boiler) levő hűtövízű reaktor.(285oC – 70 atmoszférán)
hatásfoka 33-34 % , a világ reaktorainak 27% ilyen.

 Gyors neutronos reaktorok
Az 20 %-ik dúsított üzemanyag, oxidok (kerámia) formájában van jelen, nem fém formában, mert nagyok a hőmérsékletek és az uránium olvadási pontja 11300C, a Plutóniumé pedig 6400C.
A vizet használják mint lassító a folyékony nitrogént pedig mint hűtő anyag.
Házi feladat : Józsinak van 4 Pu-239-el megrakott teherautója. Elhasznál 4-et áramfejlesztésre, egy év alatt. Kérdés : hány teherautó plutóniuma marad Józsinak ?
Válasz : 5 !!!!
A természetes U-238 –as bombázása neutronokkal, egy másik nagyon jó hasadó anyagot eredményez, a plutóniumot (Pu-239). Ha tehát az aktív zónában több neutron termelődik mind amennyi elhasználódik akkor egy újrafejlesztő reaktorral van dolgunk, mert energia mellett még hasadó anyagot is termel (Pu-239), amit szintén fel lehet használni üzemanyagként.

Jelenleg a szakemberek huzakodnak ilyen reaktorok üzemeltetésétől. Bár gazdaságos az általuk termelt plutóniumból könnyen készülhet atombomba, míg a gazdagított uránérc, amit a másik típusú erőművekben használnak (egészen 10%-ik gazdagítva), nem alkalmasak bomba gyártására.

Balesetek

1989 április 7 – Sea Wolf atomtengeralatjáró (Szovjetunió), Északi tengeren balesetett szenvedett. A tengeralatjaró 120m hosszú, 12 m. széles és 6 darab 533 mm-es meg 2 darab 650 mm-es torpedóindító csővel rendelkezik. Emellett vannak még rakétái, robotrepülőgépei, stb. 500 millió $-ba került.A reaktor folyákony nitrogénes hüttő csőve megsérült.Folyékony nitrogén + O2 = tűz, mig folyékony nitrogén + H2O = durrangáz (H2 +O).
A legénység 79 tagjából 42-en meghaltak.

1957 október 7 - Windscale, Anglia.
Az elsõ windscale-i reaktorok grafitmoderálású, levegõ hûtésû, plutoniumtermelõ reaktorok voltak. A 2-300 Celsius-fok hõmérsékletû grafitmoderátorban az alábbi folyamat játszódik le üzem közben: a neutronok a lassulás során a grafitot alkotó szénatomok magjainak ütköznek. Bizonyos valószínûséggel a szénatomokat ki is mozdíthatják a rácsban elfoglalt helyükrõl. A rácshelybõl elmozdított atom ekkor magasabb energiaszintre kerül, ily módon a grafit energiát tárol. Amennyiben azt az "energiával megszívódott" grafitot felmelegítjük, a hõmozgás következtében az atomok visszaugrálnak az eredeti, alacsonyabb energiájú helyeikre, az energiakülönbség pedig hõ formájában jelenik meg, tovább melegítve a grafitot. Ez az öngerjesztõ folyamat akár a grafit meggyulladásához is vezethet. A folyamatot felfedezõjérõl Wigner-effektusnak, vagy wigneritisznek nevezzük. A wigneritisz lehetõségére Wigner Jenõ már a hanfordi plutóniumtermelõ reaktorok tervezésekor rámutatott és meg is találta annak ellenszerét: mielõtt még a grafit "túlszívná" magát, rendszeresen fel kell melegíteni, hogy a benne tárolt hõ felszabaduljon. Ezzel a windscale-i erõmûben is tisztában voltak, azonban 1957-ben túl késõn és kellõ körültekintés nélkül hajtották végre a felmelegítést. Fellépett a Wigner-effektus, a reaktor túlforrósodott, végül a grafit meggyulladt. A reaktort elárasztották szén-dioxiddal, de ez nem bizonyult elégségesnek. Végül a vízzel történõ oltás mellett döntöttek. A 125 méter magas reaktorkéménybe épített szûrõk a reaktorból felszabaduló radioaktivitás zömét visszatartották, így komoly környezeti kárt, illetve emberáldozatot az eset nem követelt. A reaktor környezetében egy 500 km2-es területen a tejet emberi fogyasztásra alkalmatlannak minosítették és elkobozták, mivel benne a 131I izotóp koncentrációja meghaladta a megengedett értéket. A reaktor személyzetének egy tagja 46 mSv dózist kapott, ami az éves természetes háttérsugárzás 20-szorosa. Egyébként a lakosság sugárterhelése - a hatósági intézkedések következtében - a megengedett érték alatt maradt.

1979 március 28 – Three Mile Island (TMI), 2-es egység


1979 március 28-an az erőmű normálisan működött 900 MW energiát termelve. A baj ott kezdődött, hogy valami hiba jelent meg az  5 -ös ásványtalanítónál. A vizet ásványtalanítani kell, mert máskepp vízkő rakodik le a vezetékek falára, ami egyrészt elzárja a víz utját másrészt hőszigetelő és így gátolja a hőcserét a reaktor és a primer vízkör, valamit a primer és a szekunder vízkör között. A hiba következtében, 4 óra 36 perckor, a  9 -es pumpa leállt és így a turbina leállt. Ugyanekkor automatikusan beindult a  8 -as segéd pumpa de …
Pontosan két nappal azelőtt, egy rutin karbantartási munkálat után, a 6 -os szelep zárva maradt, holott nyitva kellett volna lennie ! A vezérteremben viszont erről nem tudtak semmit ! Tény, hogy 1 másodpercen belül leáll a  8 -as segéd pumpa, mivel a szelep zárva volt, így a gőz fejlesztő hűtővíz nélkül maradva nem tudja teljesíteni hőcserélő szerepét. Ennek következtében az aktív zónában termelt hő elkezd felhalmozódni a primer vízkörben, hőemelkedés amely gőz képzésére vezetett, és mivel hogy a gőz sokkal nagyobb helyet foglal mind ugyanaz a mennyiségű víz folyékony állapotban, a nyomás rohamosan növekedett Ennek következtében a 10 -es elektromágneses szelep kinyílt, ugyanakkor automatikusan beindulva az aktív zóna hőfejlesztés leállítása (vagyis a fékező rudak behatolnak az aktív zónába és elnyelik a neutronokat, tehát megáll a maghasadás). Ez automatikusan történt, de továbbra is kell biztosítani a kellő hűtést. A baj viszont nem szokott egyedül járni. Eképpen a 10 -es szelep ahelyett, hogy visszazáródott volna miután a nyomás normális lett a primer vízkörben, úgy maradt nyitott állapotba ! Ennek következtében a hűtővíz nagy mennyiségben távozott rajta keresztül, anélkül hogy erről tudtak volna a vezérteremben.!
Csak 142 perc után jöttek rá, hogy mi történt és zárták el az  1 -es csapot, de már túl késő volt. A TMI erőműnek két pót hűtő berendezése van baleset esetére – egy magas nyomású – mely a 3 -as víztartályból és a 11 -es pumpákból áll, valamint - egy alacsony nyomású – rendszer mely a 2 -es víztartályból tevődik mely elönti baleset esetén az aktív zónát.
A nagymennyiségű gőzveszteség a 10 -es szelepen át, a primer vízkörben nyomás csökkenést eredményezett, aminek következtébe beindult automatikusan a magas nyomású baleseti hűtő berendezés. A vezérterembe viszont rosszul értelmezték a dolgokat és kézi kapcsolással leállítják a 11 -es pumpákat ! Ez azért történt mert a TMI erőmű személyzetét úgy képezték ki, hogy kerüljék azt, hogy a nyomásszabályzó megteljen vízzel (vagyis ne legyen benne gőz réteg ami átvegye a nyomás ingadozásokat). Azzal hogy a 10 -es szelep nyitva volt, természetesen a gőz elillant és a szabályzó megtelt vízzel. Azért, hogy ne kerüljön több víz a hűtő körbe leállították a pumpákat, viszont ők nem tudták, hogy a szelep nyitva van és a víz rohamosán távozik. A baleseti pótpumpáknak a leállítása csak rontott a helyzeten. Csak 3 óra és 40 perc után, a baleset kezdetétől, indítják újra ezek a pumpák, de már túl késő volt. Az aktív zóna nagy része már tönkre volt téve. Azt, hogy a 10 -es szelep nyitva van csak 2 óra és 18 perc után vették észre, és akkor végre lezárták az  1 -es csapot. Végül a baleset után 13 óra és 30 percre sikerült beindítani az egész hűtő vízkörben levő pumpákat.
A baleset következményei : az amerikai Szenátus kivizsgálást rendelt el. A gyűlésre meghívták dr.Alvin Weinberg-et , aki egy Geiger-Müller számlálót is hozott magával, és a jelenlevők legnagyobb meglepetésére bebizonyította, hogy a terembe nagyobb a természetes sugárzás, mint amit a nukleáris erőműben dolgozok kaptak a baleset folytán.
Viszont nem lehetett letagadni a tervezési hibákat : a vezérterembe levő kontrol műszerek rosszul voltak és vannak tervezve, ezek mellett a személyzet sincs kellő képen felkészülve. Így a TMI-ben az órák mutatóinak állását összehasonlították egy megszabott értékkel, ami a szerkezet normális működéséhez szükséges, és tettek valamit az iránt, hogy a mutató visszakerüljön a normális határértékhez. Vagyis ha az egyik órán a mutató túlhaladta a piros csíkot, akkor megnyomták azt a gombot, vagy elmozdították azt a fogantyút ami következtében a mutató vissza került a piros csík alá. De hogy miért került a mutató a piros csík fölé, senkit nem érdekelt ! Ezek mellett mivel, hogy a kontrol műszerek száma nagyon nagy, csak a legfontosabbak vannak a vezérterembe elhelyezve. A többi műszer más, szomszédos szobába, voltak felállítva ! Ezek következtében az erőmű személyzete nem tudta, hogy egy nukleáris balesetbe vesznek részt ! És amikor rájöttek mégis a dologra , akkor sem tudták felmérni, hogy mi történt a nukleáris reaktorban. Hosszú órák teltek el amíg sikerült helyes képet alkotniuk az egészről.
A műszerek rosszul tervezetségét, például a  10-es elektromágneses szelep igazolja, amelyik leblokált nyitott állapotba, de úgy volt tervezve, hogy akkor mutasson “nyitott”-at helyzetet amikor az elektromágnesben áram halad át, és “zárt”-at amikor nincs feszültség alatt. Ez viszont csak azt jelezte, hogy van-e áram az elektromágnesbe, vagy nincs, és nem a szelep helyzetét.

1986 április 26 – Csernobili – 4-es egység

  A Pripjaty folyó mentén levő erőmü,RBMK 1000 típusú reaktort (2 x 500 MW)és 2 %-ra dúsított U-235 használt.

  Egy hatalmas nagy széntömben 1700 üzemanyag csatornát képeztek ki. Egy üzemanyag kazettá : Ř 78,8 mm, 10 m. hosszú (18 üzemanyag rudat tart össze), összesen 190 tonna uránium-oxid.Ezen kivül van még 187 bór fékező (neutron nyelő rúd) és 24 biztonsági rúd.

 



Mi történt Csernobilban ?
A csernobili atomerőműben négy darab 1.000 megawattos (RBMK 1000 jelzésű) termikus reaktor működött. Ezeknek a reaktoroknak üzemanyaga 2 százaléknyi hasadóképes uránizotóp (U-235), lassítóanyaga a grafit, hőhordozója pedig a közönséges víz.
Az uránatom hasadásához az égvilágon semmire sincs szükség, és amikor hasad, az atom energiája hő formájában felszabadul. A hasadó atomok neutronokat bocsátanak ki magukból, és ezek újabb atommagokba ütközve azokat is hasadásra késztetik. A természetben felszabaduló neutronok azonban olyan gyorsan száguldnak el, hogy alig-alig idéznek elő újabb maghasadást, ezért ezeket a neutronokat le kell lassítani. A maghasadás folyamán keletkező hő a vizet “felforralja” és a turbógenerátorokat a reaktor térben keletkező gőz hajtja meg.
A hermetikusan zárt reaktortérben van a neutronokat fékező grafit és ebben a grafittömbben kialakított hengeres csatornákban vannak a fűtőanyag-kötegek, illetőleg ezekbe sülyeszhetők bele a szabályzó és biztonság-védelmi bórrúdak. A grafittömböt még további ezerhétszáz cső is lyuggatja, ezek a hűtővizet tartalmazzák. A száznyolcvan tonna hasadóanyag optimális üzemi hőmérséklete több száz fokkal magasabb a grafittömbök gyulladási hőmérsékleténél. A grafit szénből van. Oxigén nélkül azonban nem tud elégni, az oxidálást a grafitbélésen lassan áramló gáz (héliumnak és nitrogénnek a keveréke) akadályozza meg.
1986 április 25-en esedékesé vált, hogy leállítsák a negyedik reaktoregységet és elvégezzék a karbantartást.
Úgy tervezték, hogy ezt egy kísérlettel kapcsolják össze. Arra a kérdésre kerestek volna választ, hogy miért és milyen mértékben hasznosíthatnák a gőzvezetőkről leválasztott turbógenerátor forgórészének a mozgási energiáját, ha a hálózati feszültség kimarad az erőmű létfontosságú berendezéseinek villamos energiával való ellátásában.
Ahhoz, hogy a kísérlet többször megismételhessék, a reaktort nem állították csak egyszerűen le, hanem fokozatosan csökkentették a teljesítményét. Egy RBMK-reaktor teljesítmény csökkentése nem olyan egyszerű, mint egy rádió lehalkítása. Sokkal egyszerűbb teljesen leállítani. Ehhez nem kell mást tenni, mint helyretolni az összes bórrúdat. A bór végez a megreakcióval : elnyeli a neutronokat, így azok nem indíthatnak újabb atommaghasadást és leáll a reakció.
A reaktor lelassítása viszont bonyolult eljárás, amit három lépésben lehet elérni. Először is betolnak néhány bórrúdat a grafitmagba. Másodszor, bizonyos mértékű finomabb szabályozás is lehetséges a reaktormagot körülvevő gázkeverékek összetételének a változtatása révén. A gázok egy része ugyanúgy elnyeli a neutronokat, mint a bór, a reakció tehát lelassítható, ha ezeknek a gázoknak a mennyisége nő a keverékben. Végül a víz. Ha fokozzák a reaktoron áthajtott vízmennyiséget a reaktort “lelassítják”, mivel a víz is elnyeli a neutronokat és minél több van belőle, annál kevesebb atom hasad szét.
A reakció szabályozása tehát a rudak és szivattyúk állandó táncát jelenti.
Az RBMK notóriusan rosszul szabályozható. Az a baja, hogy olyan nagy. Nem lehet minden pontjára hőmérséklet-érzékelőket szerelni. Előfordulhat, hogy a reaktormag valamelyik része éppen a kívánt hőmérsékleten, míg egy másik pontja, esetleg alig karnyújtásnyira az előzőtől, veszélyesen magas hőmérsékletre szökik fel.
Az atomreaktort számítógép vezérli, az ember mindössze “megmondja” a komputernek, hogy mit akar a géptől. A mi esetünkbe, mivel a kísérlet folyamán a reaktor rendkívüli körülmények között működne, azért, hogy a kísérletet ne zavarják, kikapcsolták és megbénították az összes automatikus védelmi rendszert, mely önműködően leállítaná a reaktort !
A víz amelyik átáramlik a reaktormagon, valóban hatékonyan elnyeli a neutronokat, legalábbis amiig cseppfolyós halmazállapotú. Gőzként viszont kisebb a sűrűsége, kevesebb neutront nyel el, ezért a reakció felgyorsul. Emiatt azonban még több gőz képződik…, amitől a reakció felgyorsul…, amitől még több gőz keletkezik…
1986 április 26-an hajnali 1 óra 22 perckor a teljesítmény alig tíz másodpercen belül csaknem tízszeresére ugrott !
Az operatőr megkísérelte leállítani a reaktort. A biztonság-védelmi bórrúdak egy ideig szabályosan haladtak, de rövidesen berezegtek és megálltak. Ekkor a rudakat leválasztották a mozgató gépezetről abban a reményben, hogy a rudak így beleeshetnek a reaktorba. A rudak azonban elakadtak !
A reaktorba 1 óra 24 perckor több egymást követő robbanás történt.

Az elsőt a gőz megnővekedett nyomása okozta, mely szétzúzta a reaktortartályt.
A következő robbanások kémiai jellegűek voltak A hatalmas hőtől és nyomástól megrepedt csövekből kitörő gőz elemeire bomlott, hidrogénné és oxigénné, melyek egyesülése a “durranógáz”- robbanást eredményezte és ami levegőbe röpítette az acél és beton reaktortartály falait. Gyilkosan radioaktív anyag szóródott szerteszét.A grafit immár érintkezésbe került a szabad levegővel. Mi több, a szétzúzott vízcsövekből bőven áradt a gőz a forró grafitra. Az ekkor bekövetkezett “vízgáz” reakciót a világ minden középiskolájában bemutatják a táblára felírva : C + H2O = CO + H2 , ami azt jelenti, hogy a szén és a víz reakciójából szénmonoxid és szabad hidrogén képződik. Levegővel érintkezve a szénmonoxid jól ég. A hidrogén pedig robban.
Az eseménysor ezzel lényegében lezárult. A grafittömbök égni kezdtek. A tüzek egyesített ereje magasba szökő, forró gázciklont gerjesztett, mely magával sodort minden apró törmeléket, közte a reaktormag radioaktív atommagjait is.


A vezérlő terem régebb és napjainkban


(Alekszej Ananyenkó, Valerij Bazpalov, Borisz Baranov. Így hívták azt a három hőst aki tudatosan a halálba masíroztak azért, hogy ezzel meggátolja a radioaktív szennyeződés még nagyobb elterjedését. A sérült csövekből kifolyó gőz egy része lecsapódott és vízzé válva kezdett felhalmozódni a reaktor épületének fenekén. Fent állt a veszély, hogy a megrongálódót reaktor, az égő grafittal belezuhan ebbe a tóba, így még több gőz keletkezet volna. A robbanás során megsérült akna ajtó nem volt nyitható kintről. A három búvár beereszkedett alig egy pár méterre levő több ezer fokon égő, és halálosan radioaktív kisugárzású reaktor alatt levő vízbe, és belülről nyitották ki az ajtót, így kiengedve a felhalmozódott vizet)