A paksi atomerőmű I.
2001/7-8. lapszám | VGF&HKL online | 9967 |
Figylem! Ez a cikk 24 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Épületgépészeti kalandozásaink során ez alkalommal egy sokakat érdeklő létesítményt, a Paksi Atomerőművet mutatjuk be. A cikk elkészítéséhez dr. Kemenes László, az erőmű információs szolgálatának vezetője volt segítségünkre, aki megmutatta az erőmű főbb egységeit és elmondta, hogyan működnek azok a gyakorlatban.
A Paksi Atomerőmű, működési elvét tekintve, hasonló módon szolgáltat energiát, mint a többi, valamilyen foszíliát (szén, kőolaj, földgáz stb.) elégető erőmű: a döntő mozzanat az, hogy meghatározott paraméterekkel rendelkező gőzt állítanak elő, amely a turbinák mozgatásával hoz létre végső lépésben villamosenergiát. A lényegi különbség az, hogy a gőz létrehozása itt nem kémiai reakción, hanem magfizikai folyamaton, hasadási láncreakción alapul. Pontos elnevezése szerint itt nukleáris gőzfejlesztő rendszer működik.
A maghasadási folyamatot a múlt század harmincas éveinek végén fedezték fel. A fizikusok arra figyeltek fel, hogy neutronsugárzás hatására az uránatom magja két, középnehéz magra esik szét. Ezek a létrejövő izotópok ráadásul energetikailag kedvezőbb állapotba jutnak a hasadás eredményeképpen, azaz több energia szabadul fel, mint amennyi a hasításhoz szükséges. A kutatások során megállapították azokat az ideális feltételeket, amelyek között a maghasadás a legoptimálisabban megy végbe. (Bizonyos esetekben, pl. ha a neutron sebessége nem megfelelő vagy nem a megfelelő izotópú uránmagot éri a neutron, a maghasadás nem jön létre.) Az U-235-ös izotópja bizonyult a legmegfelelőbbnek, ma ezt használják fel az atomerőművek többségében.
Összehasonlításképpen: Magyarország éves elektromos energia fogyasztása kb. 40 000 GWh. Ennyi energia felszabadulásához 19 t tiszta U-235 elhasadása szükséges, s pontosan ennyi energiát kapunk 2,5 milliószor ennyi feketeszén elégetésével.
A maghasadás során a két hasadványmagon kívül néhány – U-235 esetén átlagosan 2,4 – neutron is kilép. Könnyen adódik a nukleáris láncreakció alapgondolata: a maghasadásból újonnan kilépő neutronok újabb maghasadásokat idéznek elő, természetesen újabb energia felszabadulásával együtt. Ekkor tehát már külső neutronforrás nélkül is önfenntartóvá válik a folyamat. Ehhez az önfenntartáshoz szükség van olyan anyagokra, amelyek a neutron sebességét a megfelelő szintre csökkentik és szinten tartják. Ezeket moderátoroknak hívják, ilyen például a víz (H20), a nehézvíz (D2O), vagy a grafit (C). A láncreakció csak akkor indul be, ha kellő mennyiségű hasadóanyag kerül felhalmozásra, mert más esetben a szerteszét repülő neutronok igen jelentős része kilép a kritikus térrészből anélkül, hogy hasadást okozna. Ha egy adott méretet elérve kevesebb neutron tud kiszökni, mint ami az önfenntartó láncreakcióhoz szükséges, akkor kritikus tömegről beszélünk. (Például a golyó alakú, moderátor nélküli fém U-235 kritikus tömege 49 kg.) A neutronok számát a láncreakció során szabályozni szükséges, mert az szabja meg az elkövetkező maghasadások számát, és így a felszabaduló energia mértékét is. A szabályozás sok komponenstől függ, a leghatékonyabbak azok az anyagok, amelyek nagy valószínűséggel elnyelik a neutronokat, s így korlátozzák a láncreakciót is.
Az atomreaktorban nagy mennyiségű hasadóanyag felhasználásával szabályozott láncreakciót valósítanak meg. A maghasadás során felszabaduló energia legnagyobb részét a hasadványmagok viszik el mozgási energia formájában, melyek az üzemanyag többi atomjával ütközve energiájukat vesztik. Ez az energia hő formájában jelentkezik, amit a hűtőközeg segítségével vezetnek el. Az egyes reaktortípusokat többek között az alapján különböztetik meg, hogy milyen moderátor s hűtőközeg anyagot alkalmaznak. Pakson 4 darab, VVER-440/213 típusú reaktor működik. Ezek nyomott vizes reaktorok, azaz bennük a hűtőközeg magas nyomáson tartott könnyű víz, és ez egyben a moderátor is. A 440-es szám az atomerőműi blokk névleges villamos teljesítményére utal, ez 440 MW. Mára ez a teljesítmény első három blokkon 460-ra, a 4. blokkon 470 MW-ra nőtt. A paksi atomerőmű elektromos összteljesítménye így 1850 MW. A reaktorok hőteljesítménye egyenként 1375 MW, ebből kiszámolható a hatásfok: kb. 34%.
Az atomreaktor aktív zónája a láncreakció színhelyének tekinthető reaktortartályban található, melynek magassága 13.75, külső átmérője 3.84 méter. Az aktív zóna szintjén falvastagsága 14 cm, belülről pedig egy 9 mm rozsdamentes acélbevonattal van ellátva. A reaktor üzemanyaga urán-dioxid (UO2), amit kb. 9 mm magas, 7.6 mm átmérőjű hengeres pasztillákká préselnek. Az uránpasztillákat egy cirkóniumötvözetből készült, 2.5 m hosszú, 9 mm belső átmérőjű csőbe helyezik, amit feltöltenek héliumgázzal, és ezután hermetikusan lezárnak. Ez a burkolat megakadályozza a hasadási termékek kikerülését a hűtővízbe. Az üzemanyag-tabletta és a burkolat együtt testesíti meg az ún. fűtőelempálcát. Üzem közben ennek belsejében 1600-1700 0C hőmérséklet uralkodik. Mivel a több tízezer fűtőelempálca egyenkénti mozgatása, cseréje gyakorlatilag megoldhatatlan, a fűtőelemeket kötegekbe foglalják. A VVER-440-nél a fűtőelemkötegek (kazetták) hatszöges keresztmetszetűek és egyenként 126 fűtőelemet tartalmaznak. Az aktív zónában összesen 349 kazetta fér el, ebből az üzemanyagkötegek száma 312. Ezen kívül 37 db abszorbensrúdat helyeztek el a szabályozás céljából. Az üzemanyag-mennyiség fémurán szerint kifejezve 42 tonna, ennek kb. egyharmada fogy el egy üzemi ciklus alatt, amely 300 napot ölel fel.
Az atomerőmű központi egységében, a reaktortartályokban hűtőközegként cirkuláltatott vizet el kell szállítani: ennek a kilépő közegnek a hőmérséklete 300 0C körül található. Nyilvánvaló, hogy ez a magas hőmérséklet normál nyomáson nem volna tartható, 125 bar túlnyomás szükséges, ezt szivattyúkkal oldják meg. Pontosabban, egy tágulási tartály (térfogat-kompenzátor) található az egyik hűtőkörön, amelyben kétfázisú közeg van, alul 325 0C-os, telített állapotú víz, fölötte pedig gőz helyezkedik el. A szabályozás tulajdonképpen a gőzpárna térfogátának változtatásával oldható meg. Ez pedig részben felülről hidegvíz-befecskendezéssel, részben elektromos fűtőszálakkal történik. Ha például a primer körben elkezd nőni a nyomás, adott érték elérése után automatikusan nyitnak a befecskendező szelepek, amik a hidegágból vizet juttatnak a térfogat-kompenzátorba. A 270 °C-os "hideg“ víz hatására a gőz egy része lekondenzálódik, nyomása tehát csökken. Ha a nyomás ennek ellenére is tovább nő, nyitnak az ún. biztonsági lefúvató szelepek, amiken keresztül a gőz egy része egy tartályba juthat. Ha a primer körben a víz nyomása csökken, a térfogat-kompenzátorban lévő villamos fűtőpatronok automatikusan bekapcsolódnak. A fűtés a térfogatkompenzátor vizében intenzív forrást, gőzképződést okoz, ez pedig a nyomás növekedéséhez vezet.
A kazetták felépítése olyan, hogy átjárhatóak hosszirányban a víz számára, vagyis az urántablettákat tartalmazó pálcák falával érintkezik a víz: így lesz a 270 0C-ból 300 0C-os folyadék. Az áramlás alulról felfelé történik. Fontos kiemelni, hogy a hűtőközeg nem érintkezik üzemanyag-tablettával, ezek a kazetták hermetikusan zártak. Amenynyiben egy pálca vagy kazetta sérült lenne, akkor a radioaktív izotópok azonnal megjelennének a hűtőközegben, ezért végeznek rendszeresen méréseket. Persze ehhez hozzá kell tenni, hogy rácsközi diffúzióval a radioaktív nemesgázok megszökhetnek, ez meg is jelenik oldott gáz formájában a hűtőközegben, de a gáztalanítás során ezek a szellőző rendszeren keresztül távoznak. (Arra az esetre, ha a biztonsági hűtővízrendszerek szivattyúinak elektromos betápja kimaradna, rendelkezésre állnak dizel motorok, amelyek felfutási ideje 15 másodperc körül van. Minden reaktorhoz három darab dieselgenerátort építettek.)
Ez a magas hőmérsékletű víz egy fél méter átmérőjű vezetéken keresztül belép egy hőcserélőbe, amit gőzfejlesztőnek neveznek. Ez egy 2.3 m átmérőjű, 12 m hosszú tartály. Itt a hőcserélő köteg oldalán már az a gőz jelenik meg, amely direkt úton a turbinához kerül. A radioaktív elemeket is tartalmazó primer köri víz a gőzfejlesztőben 5536 db 16 mm átmérőjű fűtőcsövön áramlik át, így forralva fel a gőzfejlesztőben lévő szekunder köri vizet. A gőzfejlesztőben a víz falon keresztüli hőátadás során veszít hőmérsékletéből.
Szemán Róbert, Szontág László
Folytatása következik.
Vannak olyan atomerőmű típusok, amelyek a hűtőközeg jelentős részét elforralják, s ezt közvetlenül a turbinához vezetik, ez az ún. vízforraló típus. Pakson ún. nyomott vizes rendszerű atomerőmű található, a fent említett plusz elem, a hőcserélő leegyszerűsíti a sugárvédelmi feladatokat, de a hatékonyságból is elvesz: a világon található mintegy 440 atomerőmű közel ¾-e ezt a szisztémát követi. Míg a vízforraló típusnál a gőz – mivel a reaktorból ered – radioaktív elemeket is tartalmaz s ezt a turbinába is közvetíti, addig a nyomott vizes kialakításnál a hőcserélő biztosítja a turbina sugárvédelmi szempontból vett tisztaságát.
A hőcserélőből kilépő primerköri víz mintegy 30 fokot veszít hőmérsékletéből, a főkeringtető szivattyúk pedig visszajuttatják hideg oldalon a reaktorba. A "hurkot“ áttekintve: reaktortartály, melegági fővezeték, gőzfejlesztő, hidegági fővezeték, főkeringtető szivattyú, reaktortartály. Mindkét ágon egy-egy tolózár található, amelyek biztosítják a vezetékek leválaszthatóságát a reaktorról. Egy reaktorhoz hat ilyen hurok tartozik.
200%-os törésnek nevezik azt az esetet, amikor ez az 500 mm átmérőjű cső teljes keresztmetszetben eltörik. Ez igen veszélyes helyzet, hiszen ilyenkor megszűnhet a reaktortartály hűtése. A kiáramló gőz a hermetikus tér levegőjével együtt átfolyik a lokalizációs toronyba, ahol vízzel töltött tálcákon áramlik át. Eközben a gőz lekondenzálódik, így a hermetikus tér nyomása is csökken. Az itt található sprinkler rendszer pedig bóros vizet porlaszt a hermetikus térbe. A víz lekondenzálja a gőzt, ezzel csökkentve tovább a nyomást. A bórsav azért szükséges, mert ez a víz visszajut a reaktorba, ahol a bór neutronelnyelő képessége segít elkerülni a láncreakció újraindulását.
A főkeringtető vezeték csonkjainak felhegesztése Pakson történt meg. Ezek falvastagsága 35-ös, a csövek átmérője 500-as, anyaga saválló acél. Menetes kötéseket nem alkalmaztak, mindenhol röntgenes ellenőrzéssel hegesztettek. (Speciális hegesztői vizsgát kellett az itt dolgozó épületgépészeknek tenniük a Szovjetunióban.) A primer körön rengeteg szerelvény helyezkedik el (mérőeszközök, stb), mindazonáltal a javítási periódust leszámítva ezeknek a cseréje nem megoldható. Természetesen itt is bármikor előfordulhatnak szivárgások, ezeket megfelelő, ellenőrzött csatornákon gyűjtik össze és távolítják el. Ezeket a szennyezett vizeket összegyűjtik, laboratóriumban bevizsgálják, majd ioncserés eljárásokkal, illetve mechanikai szűrőkkel tisztítják. E tisztító eljárások hatásfoka 97 %-os. (Magyarországon vannak talán a legszigorúbb normák a radioaktív szennyezőanyagok vonatkozásában). Szerencsére nagyon sok ilyen szennyeződésnek a felezési ideje 24 órán belüli. Egy évben mintegy másfél köbméternyi szilárd szennyezőanyagot szűrnek ki, ezeket itt is tárolják. Ezek az anyagok veszélytelennek nevezhetők.
Ezzel röviden össze is foglaltuk az úgynevezett primer kört, ami a reaktor és a gőzfejlesztő hőcserélő közötti ciklust öleli fel. Óránként 42 000 tonna mennyiségű vizet keringtetnek a főkeringtető ágban, az összmennyiség 300-400 m³. Ezt évente egyszer, a nagyjavításnál leürítik, és teljes egészében megtisztítják, de üzem közben is 5 tisztító áll rendelkezésre reaktoronként. A nagyjavításnál olyan szintre szorítják a sugárzási tényezőket, hogy a munkatársak megközelíthetik a reaktort is. A tévhittel ellentétben nincs olyan hely az atomerőműben, amelyet összeszerelés után már nem kereshet fel ember- természetesen üzemmódtól függően. Az erőműben dolgozók kötelezően dózismérőt viselnek, a sajátos beavatkozásoknál pedig, amikor várhatóan megemelkedik a sugárzás, csak korlátozott időtartamot tölthetnek a helyszínen.
A megállás egy atomerőmű esetében tág fogalom. Lehet gondolni a fent említett nagyjavításra, de vannak esetek, amikor nagyon gyorsan kell megszakítani a folyamatot. A reaktor teljesítményének szabályozása, azaz a neutron részecskékkel való gazdálkodás két fő módon történhet. Egyfelől, a hűtővízben oldott bór segítségével, hiszen a bór atom nagy valószínűséggel "befogja“ a neutronokat, s így, ha növelik a bór koncentrációt, akkor csökkenni fog a szabad neutronok mennyisége. A VVER-440 típusban a láncreakció szabályozásához a fűtőelemkötegekkel azonos méretű abszorbens (bóracélból készült) kazettákat használnak, amelyek felülről lógnak be a zónába. A reaktorban összesen 37 ilyen szabályozó és biztonságvédelmi kazetta van, amelyek közül üzem közben 30 állandóan kihúzott állapotban, az aktív zóna fölött helyezkedik el. Ezek az ún. biztonságvédelmi (BV) rudak, amelyekkel a reaktor bármikor biztonságosan leállítható, mintegy 7-8 másodperc alatt. A maradék 7 abszorbens kazettával az üzem közbeni teljesítmény-szabályozást végzik. A szabályozó kazetták aljához egy-egy fűtőelemkazettát kapcsolnak, így a kihúzott abszorbensek helyén is üzemanyag található, a szimmetrikus üzemanyag zóna létrehozása miatt.
Amikor az urán 235-ös atom elbomlik, akkor két másik részecskére esik szét. A láncreakció folyamán az üzemanyag fogy, s ha nem változtatnánk a bórkoncentrációt, akkor a reaktor teljesítménye szép lassan csökkenne. Ezért folyamatosan szabályozni szükséges a bór mennyiségét a hűtővízben, hogy a teljesítmény ne csökkenjen. A folyamatirányítók tevékenysége alapvetően eseménykövető: az automatika végzi el a gyors beavatkozást, az emberi kontroll csak a későbbi történésekben valósulhat meg. A szekunder kör első lépése a gőz útja a turbinához. A turbina egy tengelyre van szerelve a generátorral, s a mozgási energiából az indukciós elv alapján pedig elektromosság jön létre. 16 ezer volton "megy ki“ a 230 MW elektromos energia. Ezt később transzformátorral 400 ezer voltra emelik fel, s az ország négy irányába szolgáltatnak áramot.
A gőzfejlesztőben lévő 223 °C-os, 46 bar nyomású vizet a csövekben keringő 300 °C-os primer köri víz 258 °C-ra melegíti, és ezen a hőmérsékleten felforralja. A keletkező gőz nedvességet is magával ragad, így a cseppeket el kell távolítani a gőzből, a turbinalapátok ugyanis tönkremennének a vízcseppektől. Erre szolgálnak a kilépő gőz útjába helyezett cseppleválasztó zsaluk. Ezek olyan terelőlemezek, amelyeken áthaladva a vízcseppek lecsapódnak, így a kilépő gőz nedvességtartalma már alacsonyabb, mint 0.25%. A három-három gőzfejlesztőből kilépő, mintegy 1350 t/h tömegáramú gőz egy-egy turbinára kerül, ahol a gőz mozgási energiáját kihasználva meghajtja a turbina lapátjait. A turbinában egy tengelyen helyezkedik el egy nagynyomású és két kisnyomású ház, valamint a generátor fogórésze. A turbina nagynyomású háza 6 fokozatú, azaz a gőz expanziója és munkavégzése 6 fokozatban történik. A nagynyomású turbinaházban a gőz hőmérséklete kb. 140 °C-ra csökken, nedvességtartalma pedig 12%-ra nő. Emiatt a kisnyomású házba való belépés előtt az ún. cseppleválasztó és gőztúlhevítő berendezésbe kerül, ahol a turbinára káros vízcseppeket eltávolítják belőle és a telítési hőmérséklet fölé melegítik. A két kisnyomású ház 5-5 fokozatú.
A fáradt gőzt viszont vissza kell alakítani vízzé. A szekunder oldalon található hőcserélő nem más, mint a kondenzátor, ennek hűtését pedig a Duna vizével oldják meg 13 ezer csőben. A hűtőcsöveken a gőz kb. 25 °C-os hőmérsékleten lekondenzálódik. Minden turbinaegységhez két kondenzátor tartozik, amelyekben 0.035 bar nyomást (vákuumot) tartanak fenn. (A turbinán a munkagőzt a gőzfejlesztő és a kondenzátor közti nyomáskülönbség hajtja át.) A cseppfolyósodott munkaközeget különböző tisztító és előmelegítő berendezéseken keresztül a szivattyúk visszajuttatják a gőzfejlesztőbe. Az előmelegítésre az erőmű jobb hatásfoka miatt van szükség. Az előmelegítést a turbináról vett gőzzel végzik, melynek során a kondenzátorból kilépő 25 °C hőmérsékletű víz 9 hőcserélőben végezetül 223 °C hőmérsékletűre melegszik fel. A tápvíz ezen a hőmérsékleten lép be a gőzfejlesztőbe, ahol újra átveheti a primer köri víz hőjét.
Mintegy 110 m³ mennyiségű vizet emelnek ki a Dunából másodpercenként, s ennyit is engednek vissza. A hidegvíz bevezetése csatornán történik, az 1-2. és a 3-4. blokkokat külön szivattyúk látják el, amelyek 3600-as szénacél csöveken keresztül szállítják a vizet. Az, hogy a kondenzátorokhoz a Duna vizét alkalmazzák, egyúttal azt is jelenti, hogy ebben a nagy mennyiségben mechanikailag tisztítják a folyót. A Vízjogi engedély szerint a Duna kevert hőmérséklete nem lehet több 30 °C-nál az erőműtől 500 méterre, a hideg és a melegvíz csatornák közötti hőmérséklet-különbség nem haladhatja meg nyáron a 11, télen a 14 C-t. Ezeket az értékeket az erőmű betartja, aminek természetvédelmi szempontból van jelentősége. A mérések szerint a kibocsátott víz 1,5 °C-al emeli meg Paksnál a Duna hőmérsékletét, de ez az érték 500 méteres körzetben eloszlik. Műtárgyakkal kell már a melegvíz csatornában is és később a Dunában is ezt az igen nagy mennyiségű vizet úgy irányítani, hogy megfelelő sebességgel, mintegy csóva formában eloszolva kerüljön vissza a folyóba.
A paksi atomerőműben nukleáris baleset még nem fordult elő. A nemzetközi atomenergia ügynökség 1 és 7 közötti osztályokba sorolja a meghibásodásokat, a csernobili atomerőműben történtek testesítik meg a legfelső kategóriát. Magyarországon gyakorlatilag jelentéktelen hibák fordult elő, melyek közül az úgymond "legnagyobb probléma“ is álló reaktor mellett történt. Amennyiben az automatika valamilyen rendellenességet észlel, azonnal védelmi üzemmódba állítja a rendszert. Ez egy teszt jellegű ellenőrzési folyamatot is magába foglal, ebbe emberi kéz nem avatkozhat be, pontosabban, csak erősebb leállítási fokozatra adhat utasítást. Az automatikus folyamatirányító rendszer ki sem kapcsolható, sőt, ha valaki megkísérli, a rendszer azonnal védelmi üzemmódba kapcsol.
Az atomerőműben 2700 alkalmazott dolgozik, a vezérlőteremben 3 műszakban dolgoznak. Itt számos monitoron tudják nyomon követni az egyes reaktorok éppen aktuális üzemi állapotát, mint említettük, tevékenységük normál esetben a megfigyelésre korlátozódik. Minden évben – a munkarendjükbe illeszkedően – kötelező rehabilitáción vesznek részt az alkalmazottak, egészségi állapotuk felmérése folyamatos. A vezérlőtermekben is tapasztalható az a fejlesztési tendencia: a Szovjetunióból beszerzett technológiákat mára a legmodernebb nyugati panelekkel cserélték le. A magas radioaktivitású hulladék tárolása jelenleg Pakson történik, az erőmű területén elhelyezett betonkamrában. E hulladékot változatlanul hermetikusan lezárva tartják, tehát az uránpasztillák a helyükön maradnak. A kazettákat acélcsövekbe helyezik, cseréjük után kb. 5 évig vízzel szükséges hűteni őket. Később, az aktivitás csökkenésével már a léghűtés is elegendő.
A javítások során minden munkafázis percnyi pontossággal meg van határozva. Érthető ez egy olyan erőműnél, ahol minden nap kiesés 60 millió forint veszteséget von maga után. Ebből akár már következtetni is lehet arra a több tízmilliárdos tételre, amit a paksi atomerőmű elektromos energia formájában évente kitermel. Tehát munkafázist a lehető legnagyobb precizitással kell végrehajtani, az nem fordulhat elő, hogy valamely ellenőrzést az idő rövidségére tekintettel nem végeznek el. A reaktor élettartamát a gyártó 25 évre garantálta. Mivel a reaktortartály fala kapcsolatban áll a neutronokkal, így annak atomszerkezete lassan, de folyamatosan "öregszik“. Az öregedés mértékére ill. a reaktortartály falának állapotára úgy következtetnek, hogy alkalmanként mintát vesznek abból a reaktortartály anyagával megegyező darabból, amelyet még a beüzemeléskor a tartályba helyeztek. A minta mindenre kiterjedő vizsgálata alapján megállapítható, hogy a paksi atomerőmű minimum 40 évig képes működni, persze ha ehhez a hivatalos szervek is hozzájárulnak. Mivel az első reaktor 82’-ben, az utolsó pedig 87’-ben lépett üzembe, hazánk villamos energiaellátásának nagy részét valószínűleg még jó ideig a paksi atomerőmű fogja biztosítani.
