Üdvözöljük a

Hogyan lesz az uránból villamos energia? | Somogyi Kereskedelmi és Iparkamara

honlapján!

-

Hogyan lesz az uránból villamos energia?

Szerző: Győrbíró-Kovács Andrea | 2020. február 3.

A ma használt energiahordozók közül az urán rendelkezik a legnagyobb energiasűrűséggel. Beszédes adat, hogy a megépítendő Paks II. Atomerőmű VVER-1200 típusú blokkjaiban használt egy kilogrammnyi uránpasztilla több mint 200 hazai háztartás éves villamosenergia-fogyasztását lesz képes biztosítani. az atomerőművi reaktorba helyezett, 3-4 évig energiát biztosító egyszeri töltet évi 1 millió 135 ezer vagon szénnel, évi 3 óriás tartályhajónyi mennyiségű kőolajjal, vagy évente 5 cseppfolyós gázt szállító óriás tartályhajó rakományával egyenértékű.

 

Ne felejtsük el, hogy ezen energiahordozók elégetésekor hatalmas mennyiségű szén-dioxid keletkezik, miközben az atomerőmű üzemelése nem jár CO2-kibocsátással! Addig azonban, amíg a kibányászott uránércből villamos energia lesz, hosszú út vezet. A videóban ez a folyamat követhető nyomon.

 

Kattints a képre, és nézd meg a videót!

 

Az atommagban tárolt energia hasznosításának lehetősége a 20. század legjelentősebb tudományos felfedezései közé tartozik. Albert Einstein híres relativitáselméletének megfelelően az anyag építőelemeiben hatalmas energia potenciál rejtőzik.
 
Az atomerőmű nem más, mint egy nagyon erős gőzgép, melyet egy hatalmas malommal kombináltak.
 

A ma létező és tervezett atomerőművek mind a maghasadás elvén működnek. Az üzemanyag általában urán-dioxid, amit úgynevezett fűtőelemek formájában használnak. A nehéz uránatomok magját meghasítják, így nagy mennyiségű energia szabadul fel, hő formájában. Ezt a hőt aztán arra használják, hogy vízből nagynyomású gőzt állítsanak elő. A gőz óriási turbinákat hajt meg, amik a régi vízimalmok hajtólapátjaira emlékeztetnek. A turbinák igen gyorsan mozognak, és az általuk meghajtott generátor állítja elő az elektromos áramot.

 

Tehát némi fűtőanyagból hőt állítanak elő, ezzel a melegséggel felforralnak egy kanna vizet. Amint fütyülni kezd, odatartanak egy szélforgót, aminek mozgási energiájából egy generátor áramot csinál. Tessék, atom: egy nagy gőzgép és egy malom keveréke.

 

A maghasadás

 

A maghasadást 1939-ben fedezte fel Hahn, Strassman és Meitner. Azt találták, hogy neutronsugárzás hatására az uránatom magja két közepes méretű magra esik szét. Később azt gyanították, hogy elméletileg minden atommag elhasadhat, de a gyakorlatban csak néhány uránés plutóniumizotóp esetében jön létre könnyen a hasadás (neutronok segítségével). Ezek az izotópok ráadásul energetikailag kedvezőbb állapotba jutnak a hasadás során, tehát több energia szabadul fel, mint amennyi a hasításhoz szükséges.

A természetes urán 99,3 %-a 238-as, 0,7 %-a pedig 235-ös izotóp. Az U-238-as csak igen ritkán hasad, és csak akkor, ha a neutron nagy sebességgel ütközik a magnak. Az U-235 hasadása gyakorlati szempontból sokkal jelentősebb: ezt a magreakciót használja ki a ma működő atomreaktorok döntő többsége.

 

Magyarország éves villamosenergia-fogyasztása kb. 44-45 ezer GWh. Ennyi energia felszabadulásához 19 t tiszta U-235 elhasadása kell. Ugyanennyi energiát kapunk 47 millió tonna (tehát kb. 2,5 milliószor annyi) feketekőszén eltüzelésekor!

 

Nukleáris láncreakció

 

A maghasadás során a két hasadvány magon kívül néhány (U-235 esetén átlagosan 2,4) nagy energiájú, szabad neutron is keletkezik. A kiszabaduló neutronok száma attól függ, milyen hasadási termékek jönnek létre.

 

Ha a hasadásból keletkező 2-3 neutron csak egy új hasadást hoz létre (mert a többi elnyelődik, vagy kiszökik a reaktorból), a láncreakciót állandó intenzitásúnak hívjuk. Ha az egy hasadásból kilépő neutronok több uránmagot is elhasítanak, akkor adott idő alatt egyre több hasadás történik, és a láncreakció divergens lesz.

 

 

Az U-235 hasadásakor a magból nagyenergiájú neutronok lépnek ki, amelyek csak igen kis valószínűséggel hoznak létre újabb maghasadást. Ahhoz, hogy gyors neutronokkal valósítsunk meg láncreakciót, nagyon nagy dúsítású uránra van szükség, ez pedig igen drága megoldás. Járhatóbb út olyan anyagok alkalmazása, amelyek a gyors neutronokat annyira lelassítják, hogy azok nagy valószínűséggel hozzanak létre újabb hasítást. Ezek az anyagok a moderátorok. Moderátor használatával akár természetes uránnal (0,7% U-235-tartalom) is létrejöhet láncreakció.

 

A moderátorként használt anyagokkal szemben két fő követelményt támasztunk: legyen minél kisebb rendszámú, és minél kevésbé legyen hajlamos a neutronok elnyelésére.

 

Ezen igényeknek a gyakorlatban csak négy anyag felel meg:

  • a hidrogén (H2O, könnyűvíz formában),
  • a nehézhidrogén (D2O, nehézvíz formában),
  • a szén (C, grafit formában) és
  • a berillium (Be).

Ezek közül a víz a legelterjedtebb moderátor. A nehézvíz tulajdonságai ugyan valamivel kedvezőbbek, de sajnos roppant drága anyag.

 

A neutronok számát a reaktorban nyilvánvalóan szabályoznunk kell, hiszen ettől függ a létrejövő maghasadások száma, és így a felszabaduló energia is.

A láncreakció szabályozásához olyan anyagok kellenek, amelyek előszeretettel elnyelik (abszorbeálják) a neutronokat. A leginkább használatos neutron-abszorbensek a kadmium (Cd) és a bór (B), mivel ezek sokkal nagyobb valószínűséggel nyelik el a neutronokat, mint maga az urán.

 

A szabályozás legfőbb eszközei az ún. szabályozó rudak, amelyek minden reaktorban megtalálhatók. Ezek olyan, neutronelnyelő anyagból készült rudak, amelyeket a hasadóanyagba lehet engedni, ill. kihúzni, így szabályozva a maghasadást létrehozó neutronok számát. Ha például csökkenteni akarjuk a reaktorban felszabaduló energiát (azaz a teljesítményt), elég beljebb tolni a szabályozó rudakat, hiszen ez elnyeli az épp hasítani készülő neutronok egy részét, így csökken a hasításra rendelkezésre álló neutronok száma. Ha növelni akarjuk a teljesítményt, több neutronra van szükségünk a hasításhoz, vagyis kijjebb kell húzni a neutronelnyelő rudakat.

A szabályozó rudak főleg a rövid időn belüli beavatkozáshoz és a leálláshoz szükségesek. Hosszú távú szabályozáshoz a hűtőközegben oldott bórsavat használnak.